JP2007141440A - Mram reference cell sub-array and its manufacturing method, mram array, mram cell sub-array and its manufacturing method, mram cell sub-array writing device, and mram cell sub-array writing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an MRAM array which performs more stable data read-out operation. <P>SOLUTION: A reference cell sub-array 200 having: a plurality of reference cells 205 arranged in rows and columns; a bit lines couple consisting of bit lines 207, 208; and a connection section 270 connecting the bit lines 207, 208 each other, is included. The reference cells 205 of a first column arranged along the bit line 207 are connected in parallel with the reference cells 205 of a second column arranged along the bit line 208, and the reference cells 205 of the first and second columns positioned on the same row are in a magnetized state different each other. Thus, a stable reference current based on the plurality of reference cells 205 is provided. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、磁気トンネル接合素子を複数備えたMRAMリファレンスセルサブアレイ、MRAMアレイ、MRAMセルサブアレイおよびMRAMセルサブアレイ書込装置、ならびに、そのようなMRAMリファレンスセルサブアレイの製造方法、MRAMセルサブアレイの製造方法、およびMRAMセルサブアレイの書込方法に関する。   The present invention relates to an MRAM reference cell subarray having a plurality of magnetic tunnel junction elements, an MRAM array, an MRAM cell subarray, an MRAM cell subarray writing device, a method of manufacturing such an MRAM reference cell subarray, and a method of manufacturing an MRAM cell subarray , And an MRAM cell sub-array writing method.

従来より、コンピュータやモバイル通信機器などの情報処理装置に用いられる汎用メモリとして、DRAM(Dynamic Random Access Memory)やSRAM(Static Random Access Memory)などの揮発性メモリが使用されている。これらの揮発性メモリは、常に電流を供給しておかなければ全ての情報が失われる。そのため、状況を記憶する手段としての不揮発性メモリ(例えば、フラッシュEEPROMなど)を別途設ける必要がある。この不揮発性メモリに対しては、処理の高速化が強く求められていることから、近年、不揮発性メモリとして磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM:Magnetic Random Access Memry)が注目されてきている。   Conventionally, volatile memories such as DRAM (Dynamic Random Access Memory) and SRAM (Static Random Access Memory) have been used as general-purpose memories used in information processing apparatuses such as computers and mobile communication devices. These volatile memories lose all information unless they are constantly supplied with current. For this reason, it is necessary to separately provide a non-volatile memory (for example, a flash EEPROM) as a means for storing the situation. Since this nonvolatile memory is strongly required to increase the processing speed, in recent years, a magnetic random access memory (MRAM) has attracted attention as a nonvolatile memory.

MRAMは、磁気抵抗効果素子を備えた磁気メモリセルが行および列をなすようにマトリクス状に複数配列されたアレイ構造をなすものである。磁気抵抗効果素子としては、より大きな抵抗変化率の得られる磁気トンネル接合(MTJ;magnetic tunnel junction)素子が好適である。このMTJ素子は、トンネルバリア層によって隔てられた2つの強磁性層(磁化方向が印加磁界に応じて変化する磁化自由層および磁化方向が磁化容易軸に沿って平行をなすように恒久的に固着された磁化固着層)を有している。なお、磁化自由層は自由に回転可能な磁化方向を有するものであるが、結晶磁気異方性を示す磁化容易軸に沿って磁化方向が揃うことによりエネルギー的に安定する。トンネルバリア層は、絶縁材料からなる薄膜であり、量子力学に基づくトンネル効果によって電荷キャリア(一般的には電子)が透過できる程度の厚みをなしている。電荷キャリアが透過する確率は、2つの強磁性層の磁化方向と関連した電子スピン方向に依存するので、電圧を印加した状態において上記の磁化方向が変化すると、トンネル電流も変化することとなる。トンネル電流の大きさは、アップスピンとダウンスピンとの比によって左右される。   The MRAM has an array structure in which a plurality of magnetic memory cells including magnetoresistive elements are arranged in a matrix so as to form rows and columns. As the magnetoresistive effect element, a magnetic tunnel junction (MTJ) element that can obtain a larger resistance change rate is suitable. This MTJ element consists of two ferromagnetic layers separated by a tunnel barrier layer (a magnetization free layer whose magnetization direction changes according to the applied magnetic field and a permanent magnetization so that the magnetization direction is parallel to the easy axis) Magnetized pinned layer). Although the magnetization free layer has a freely rotatable magnetization direction, it is stable in terms of energy when the magnetization direction is aligned along the easy magnetization axis exhibiting magnetocrystalline anisotropy. The tunnel barrier layer is a thin film made of an insulating material and has a thickness that allows charge carriers (generally electrons) to pass through the tunnel effect based on quantum mechanics. Since the probability that charge carriers are transmitted depends on the electron spin direction associated with the magnetization directions of the two ferromagnetic layers, the tunnel current also changes when the magnetization direction changes in a state where a voltage is applied. The magnitude of the tunnel current depends on the ratio of up spin to down spin.

図14に、磁気メモリセル10の断面構造の一例を示す。各磁気メモリセル10は、互いに接することなく直交するビット線25および書込ワード線30の間に設けられたMTJ素子15を有している。MTJ素子15は、ビット線25の側から、フリー層18、トンネルバリア層17、ピンド層16を順に有している。フリー層18の磁化J18の方向は外部磁場に応じて変化するのに対し、ピンド層16の磁化J16の方向は特定の方向(例えばビット線25に沿った方向)に固定されている。磁化J16の方向は、MTJ素子15の製造過程で決定される。各磁気メモリセル10は、MTJ素子15における磁化J16と磁化J18との相対的な方向に応じたディジタルデータを保持している。   FIG. 14 shows an example of a cross-sectional structure of the magnetic memory cell 10. Each magnetic memory cell 10 has an MTJ element 15 provided between a bit line 25 and a write word line 30 which are orthogonal to each other without being in contact with each other. The MTJ element 15 has a free layer 18, a tunnel barrier layer 17, and a pinned layer 16 in this order from the bit line 25 side. The direction of the magnetization J18 of the free layer 18 changes according to the external magnetic field, while the direction of the magnetization J16 of the pinned layer 16 is fixed in a specific direction (for example, a direction along the bit line 25). The direction of the magnetization J16 is determined in the manufacturing process of the MTJ element 15. Each magnetic memory cell 10 holds digital data corresponding to the relative directions of the magnetization J16 and the magnetization J18 in the MTJ element 15.

MTJ素子15の一方の側に位置するフリー層18はビット線25と直接接しているが、MTJ素子15と書込ワード線30との間には、ピンド層16と接するように導線45が設けられている。書込ワード線30は、MTJ素子15と電気的に接触をすることなく、その近傍に配置されている。書込ワード線30には、ある方向に書込ワード線電流40が流れるようになっている。ビット線25に流れる書込ビット線電流35と書込ワード線30を流れる書込ワード線電流40とによって磁場を形成し、フリー層18の磁化J18の方向を決定するようになっている。磁化J18の方向によってディジタルデータの状態が決定される。ピンド層16と接続された導線45の一端には、アイソレーショントランジスタ20(以下、単にトランジスタ20という。)が設けられている。トランジスタ20のソースは接地されており、トランジスタ20のゲートは、読出ワード線50と接続されている。   The free layer 18 located on one side of the MTJ element 15 is in direct contact with the bit line 25, but a conductive wire 45 is provided between the MTJ element 15 and the write word line 30 so as to be in contact with the pinned layer 16. It has been. The write word line 30 is arranged in the vicinity thereof without making electrical contact with the MTJ element 15. A write word line current 40 flows through the write word line 30 in a certain direction. A magnetic field is formed by the write bit line current 35 flowing through the bit line 25 and the write word line current 40 flowing through the write word line 30, and the direction of the magnetization J18 of the free layer 18 is determined. The state of the digital data is determined by the direction of the magnetization J18. An isolation transistor 20 (hereinafter simply referred to as the transistor 20) is provided at one end of the conducting wire 45 connected to the pinned layer 16. The source of the transistor 20 is grounded, and the gate of the transistor 20 is connected to the read word line 50.

磁気メモリセル10への書込を行う場合には、ビット線25に書込ビット線電流35を流すと共に書込ワード線30に書込ワード線電流40を流すようにする。この際、書込ビット線電流35の向きがフリー層18の磁化J18の方向を決定する。その結果、MTJセル10には、MTJ素子15における磁化J16と磁化J18との相対的な方向に応じたディジタルデータが記録されることとなる。なお、書込動作中は、読出ワード線50を通じてトランジスタ20を非アクティブ状態とし、MTJ素子15などにビット線25からの電流が流れるのを妨げるようにする。   When writing to the magnetic memory cell 10, the write bit line current 35 is caused to flow through the bit line 25 and the write word line current 40 is caused to flow through the write word line 30. At this time, the direction of the write bit line current 35 determines the direction of the magnetization J18 of the free layer 18. As a result, digital data corresponding to the relative directions of the magnetization J16 and the magnetization J18 in the MTJ element 15 is recorded in the MTJ cell 10. During the write operation, the transistor 20 is deactivated through the read word line 50 to prevent the current from the bit line 25 from flowing through the MTJ element 15 and the like.

読出動作の際には、読出ワード線50によってトランジスタ20をアクティブ状態とし、図14(B)および図15に示したように、読出セル電流55を、ビット線25、MTJ素子15およびトランジスタ20の順に通過させ、接地させる。このとき、フリー層18の磁化J18の方向とピンド層16の磁化J16の方向との相対的な方向により、MTJ素子15を通過する際の抵抗が決定される。なお、図15は、図14に示した磁気メモリセル10に対応する回路図である。このように、ビット線25は、フリー層18の磁化J18の方向を決定する書込動作と共に、MTJセル10からの読出動作にも関係する。   In the read operation, transistor 20 is activated by read word line 50, and read cell current 55 is applied to bit line 25, MTJ element 15 and transistor 20 as shown in FIG. 14B and FIG. Pass in order and ground. At this time, the resistance when passing through the MTJ element 15 is determined by the relative direction between the direction of the magnetization J18 of the free layer 18 and the direction of the magnetization J16 of the pinned layer 16. FIG. 15 is a circuit diagram corresponding to the magnetic memory cell 10 shown in FIG. As described above, the bit line 25 is related to the read operation from the MTJ cell 10 as well as the write operation for determining the direction of the magnetization J18 of the free layer 18.

図16の回路図を参照して、従来のMRAMにおける読み出し動作を詳細に説明する。読出動作の際には、読出セル電流55が読出対象である磁気メモリセル10を通過することとなる。書込セル電流55がMTJ素子15を通過することで、センスアンプ60へ入力される第1の入力信号であるデータ電圧Vdatを形成する。一方、センスアンプ60には、第2の入力信号として、リファレンス電圧Vrefが入力される。リファレンス電圧Vrefは、磁気メモリセル10とは別に設けられたリファレンスセル65を流れて接地されるリファレンス電流75によってもたらされるものである。リファレンスセル65はビット線70と接続されており、このビット線70によってリファレンス電流75が供給されるようになっている。さらに、リファレンスセル65は、直列接続されたMTJ素子67aおよびMTJ素子69aと、直列接続されたMTJ素子67bおよびMTJ素子69bとが並列に接続されたものである。MTJ素子67a,67bは、低抵抗となるように磁化されており、MTJ素子69a,69bは、高抵抗となるように磁化されている。MTJ素子67a,67bおよびMTJデバイス69a,69bは、中点の抵抗が等価となるように接続されている。データ電圧Vdatは、磁気メモリセル10に格納されたディジタルデータの状態を決定するために、リファレンス電圧Vrefと比較される。   A read operation in the conventional MRAM will be described in detail with reference to the circuit diagram of FIG. In the read operation, the read cell current 55 passes through the magnetic memory cell 10 to be read. When the write cell current 55 passes through the MTJ element 15, the data voltage Vdat which is the first input signal input to the sense amplifier 60 is formed. On the other hand, the reference voltage Vref is input to the sense amplifier 60 as the second input signal. The reference voltage Vref is generated by a reference current 75 that flows through a reference cell 65 provided separately from the magnetic memory cell 10 and is grounded. The reference cell 65 is connected to the bit line 70, and a reference current 75 is supplied by the bit line 70. Further, the reference cell 65 is configured such that an MTJ element 67a and an MTJ element 69a connected in series and an MTJ element 67b and an MTJ element 69b connected in series are connected in parallel. The MTJ elements 67a and 67b are magnetized to have a low resistance, and the MTJ elements 69a and 69b are magnetized to have a high resistance. The MTJ elements 67a and 67b and the MTJ devices 69a and 69b are connected so that the midpoint resistance is equivalent. The data voltage Vdat is compared with the reference voltage Vref to determine the state of the digital data stored in the magnetic memory cell 10.

このようなMRAMアレイに関する技術としては、以下のようなものが知られている。   The following technologies are known as techniques relating to such an MRAM array.

DeBrosse等は、新規のブートストラップド書込駆動回路を特徴とする16メガビットのMRAMアレイについて開示している(例えば非特許文献1参照)。
DeBrosse等,「16Mb MRAM フィーチャリング・ブートストラップド・ライト・ドライバーズ(A 16Mb MRAM Featuring Bootstrapped Write Drivers」,ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ(Digest of Technical Papers),2004シンポジウム・オン・VLSIサーキット,2004年6月,pp.454−457
DeBrosse et al. Discloses a 16 megabit MRAM array featuring a novel bootstrap write drive circuit (see, for example, Non-Patent Document 1).
DeBrosse et al., “16Mb MRAM Featuring Bootstrapped Write Drivers”, Digest of Technical Papers, 2004 Symposium on VLSI Circuit, 2004 June, pp. 454-457

Brennan等は、MRAMアレイとして用いられる静電容量結合したセンサ装置について開示している(例えば特許文献1参照)。その装置(apparatus)は、センスアンプのオフセット電圧を固定している。センスアンプはMRAMアレイにおける選択されたビット線と選択的に結合しており、選択されたビット線を用いて読出対象のMRAMセルと通信を行うようになっている。読出電流は、読出動作の際にMRAMセルを通過し、リファレンス電流は、選択されたビット線を通過する。信号電圧(signal voltage)は、読出電流およびリファレンス電流に応じて発生し、選択されたビット線上で感知される。信号電圧は、センスアンプの入力信号と結びつくものであり、センスアンプは、MRAMセルのデータ状態を反映した出力を供給する。
米国特許第6816403号明細書
Brennan et al. Discloses a capacitively coupled sensor device used as an MRAM array (see, for example, Patent Document 1). The device (apparatus) fixes the offset voltage of the sense amplifier. The sense amplifier is selectively coupled to a selected bit line in the MRAM array, and communicates with the MRAM cell to be read using the selected bit line. The read current passes through the MRAM cell during the read operation, and the reference current passes through the selected bit line. A signal voltage is generated in response to the read current and the reference current and is sensed on the selected bit line. The signal voltage is tied to the input signal of the sense amplifier, and the sense amplifier supplies an output reflecting the data state of the MRAM cell.
US Pat. No. 6,816,403

Han等は、ビット線上での電圧増大をもたらすリファレンスセルを開示している。このリファレンスセルは、オン状態のメモリセルに基づく容量結合サイリスタ(thinly capacitively coupled thyristor;TCCT)によって形成される他のビット線上での電圧増大と比例し、好ましくはその半分程度である電圧増大をもたらすものである。このリファレンスセルは、負性微分抵抗(negative differential resistance;NDR)デバイスを備えている。ゲートのようなデバイスが、NDRデバイスの近傍に配置され、第1の抵抗体がNDRデバイスとビット線とを繋いでいる。
米国特許第6845037号明細書
Han et al. Disclose a reference cell that provides a voltage increase on the bit line. This reference cell is proportional to the voltage increase on other bit lines formed by a capacitively coupled thyristor (TCCT) based on an on-state memory cell, and preferably results in a voltage increase that is approximately half that. Is. The reference cell includes a negative differential resistance (NDR) device. A device such as a gate is disposed in the vicinity of the NDR device, and a first resistor connects the NDR device and the bit line.
US Pat. No. 6,845,037

そのほか、MRAMアレイに関する技術としては、以下のようなものが知られている。
米国特許第6711068号明細書 米国特許出願公開第2004/0001360号明細書 米国特許第6754123号明細書 米国特許第6791887号明細書 米国特許第6791890号明細書
In addition, the following technologies are known as technologies related to the MRAM array.
US Pat. No. 6,711,068 US Patent Application Publication No. 2004/0001360 US Pat. No. 6,754,123 US Pat. No. 6,791,887 US Pat. No. 6,791,890

ところで、このようなMRAMアレイに関しては、従来より読出精度の向上が課題となっている。しかしながら、例えば図16に示したように、リファレンスセルからのリファレンス電流を利用した読出を行うMRAMアレイであっても、十分な読出精度が得られているとは言い難いのが現状である。   By the way, with respect to such an MRAM array, improvement in reading accuracy has been a problem. However, for example, as shown in FIG. 16, even in an MRAM array that performs reading using a reference current from a reference cell, it is difficult to say that sufficient reading accuracy is obtained.

本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その第1の目的は、安定したデータの読出動作を行うことのできるMRAMアレイ、ならびにそのようなMRAMアレイに好適なMRAMリファレンスセルサブアレイおよびMRAMセルサブアレイを提供することにある。本発明の第2の目的は、上記のようなMRAMリファレンスセルサブアレイおよびMRAMセルサブアレイの製造方法を提供することにある。さらに、本発明の第3の目的は、上記のようなMRAMセルサブアレイへのデータの書込に適したMRAMセルサブアレイ書込装置およびMRAMセルサブアレイの書込方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and a first object thereof is an MRAM array capable of performing a stable data reading operation, and an MRAM reference cell sub-array and an MRAM cell suitable for such an MRAM array. It is to provide a subarray. A second object of the present invention is to provide an MRAM reference cell subarray and a method for manufacturing the MRAM cell subarray as described above. Furthermore, a third object of the present invention is to provide an MRAM cell subarray writing apparatus and an MRAM cell subarray writing method suitable for writing data into the MRAM cell subarray as described above.

本発明のMRAMリファレンスセルサブアレイは、MRAMデータセルサブアレイおよびセンスアンプを複数備えたMRAMアレイに用いられ、センスアンプに対してリファレンス電流を供給するものであって、以下のA1〜A3の各構成要件を備えたものである。
(A1)行方向および列方向に並んだ複数のMRAMリファレンスセル。
(A2)列方向に延在し、かつ、列方向に並んだ複数のMRAMリファレンスセルに含まれるフリー層とそれぞれ接続されると共に隣り合うように配置された第1および第2のビット線からなるビット線対。
(A3)ビット線対における第1および第2のビット線を相互に繋ぐ連結部。
ここで、第1のビット線に沿って並ぶ第1の列のMRAMリファレンスセルは、第2のビット線に沿って並ぶ第2のMRAMリファレンスセルと並列接続されており、同一の行に位置する第1および第2の列のMRAMリファレンスセルは、互いに異なる磁化状態を有している。
The MRAM reference cell sub-array of the present invention is used in an MRAM array having a plurality of MRAM data cell sub-arrays and a plurality of sense amplifiers, and supplies a reference current to the sense amplifiers. It is equipped with.
(A1) A plurality of MRAM reference cells arranged in the row direction and the column direction.
(A2) First and second bit lines extending in the column direction and connected to and adjacent to free layers included in a plurality of MRAM reference cells arranged in the column direction. Bit line pair.
(A3) A connecting portion for connecting the first and second bit lines in the bit line pair to each other.
Here, the MRAM reference cells in the first column aligned along the first bit line are connected in parallel to the second MRAM reference cells aligned along the second bit line, and are located in the same row. The MRAM reference cells in the first and second columns have different magnetization states.

本発明の第1のMRAMアレイは、複数のMRAMデータセルサブアレイと、複数のMRAMデータセルサブアレイと通信を行うセンスアンプと、センスアンプに対してリファレンス電流を供給する複数のMRAMリファレンスセルサブアレイとを備え、MRAMリファレンスセルサブアレイが、以下のB1〜B3の各構成要件を備えたものである。
(B1)行方向および列方向に並んだ複数のMRAMリファレンスセル。
(B2)列方向に延在し、かつ、列方向に並んだ複数のMRAMリファレンスセルに含まれるフリー層とそれぞれ接続されると共に隣り合うように配置された第1および第2のビット線からなるビット線対。
(B3)ビット線対における第1および第2のビット線を相互に繋ぐ連結部。
ここで、第1のビット線に沿って並ぶ第1の列のMRAMリファレンスセルは、第2のビット線に沿って並ぶ第2のMRAMリファレンスセルと並列接続されており、同一の行に位置する第1および第2の列のMRAMリファレンスセルは、互いに異なる磁化状態を有している。
A first MRAM array according to the present invention includes a plurality of MRAM data cell subarrays, a sense amplifier that communicates with the plurality of MRAM data cell subarrays, and a plurality of MRAM reference cell subarrays that supply a reference current to the sense amplifier. The MRAM reference cell subarray includes the following constituent elements B1 to B3.
(B1) A plurality of MRAM reference cells arranged in the row direction and the column direction.
(B2) First and second bit lines extending in the column direction and connected to and adjacent to free layers included in a plurality of MRAM reference cells arranged in the column direction. Bit line pair.
(B3) A connecting portion for connecting the first and second bit lines in the bit line pair to each other.
Here, the MRAM reference cells in the first column aligned along the first bit line are connected in parallel to the second MRAM reference cells aligned along the second bit line, and are located in the same row. The MRAM reference cells in the first and second columns have different magnetization states.

本発明のMRAMリファレンスセルサブアレイおよび第1のMRAMアレイでは、第1の列のMRAMリファレンスセルと第2のMRAMリファレンスセルとが互いに異なる磁化状態を有し、かつ、連結部によって並列接続されていることから、複数のMRAMリファレンスセルに基づいた安定したリファレンス電流が得られる。   In the MRAM reference cell sub-array and the first MRAM array of the present invention, the MRAM reference cells and the second MRAM reference cells in the first column have different magnetization states and are connected in parallel by a connecting portion. Therefore, a stable reference current based on a plurality of MRAM reference cells can be obtained.

本発明のMRAMセルサブアレイは、複数のセンスアンプと共にMRAMアレイに用いられるMRAMセルサブアレイであって、以下のC1〜C3の各構成要件を備えたものである。
(C1)行方向および列方向に並んだ複数のMRAMセル。
(C2)列方向に延在し、かつ、列方向に並んだ複数のMRAMセルに含まれるフリー層とそれぞれ接続されると共に行方向に並ぶ複数のビット線。
(C3)複数のビット線のうちの1組のビット線を相互に繋ぎ、ビット線対を構成する連結部。
ここで、ビット線対のうちの一方のビット線に沿って並ぶ第1の列のMRAMセルは、ビット線対のうちの他方のビット線に沿って並ぶ第2のMRAMセルと並列接続されており、同一の行に位置する第1および第2の列のMRAMセルは、互いに異なる磁化状態を有している。
The MRAM cell sub-array of the present invention is an MRAM cell sub-array used for an MRAM array together with a plurality of sense amplifiers, and has the following constituent elements C1 to C3.
(C1) A plurality of MRAM cells arranged in the row direction and the column direction.
(C2) A plurality of bit lines extending in the column direction and connected to the free layers included in the plurality of MRAM cells arranged in the column direction and arranged in the row direction.
(C3) A connecting portion that connects a pair of bit lines among a plurality of bit lines to form a bit line pair.
Here, the MRAM cells in the first column aligned along one bit line of the bit line pair are connected in parallel to the second MRAM cells aligned along the other bit line of the bit line pair. In addition, the MRAM cells in the first and second columns located in the same row have different magnetization states.

本発明の第2のMRAMアレイは、複数のMRAMセルサブアレイと、複数のMRAMセルサブアレイと通信を行うセンスアンプとを備え、以下のD1〜D3の各構成要件を備えたものである。
(D1)MRAMセルサブアレイは、行方向および列方向に並んだ複数のMRAMセル。
(D2)列方向に延在し、かつ、列方向に並んだ複数のMRAMセルに含まれるフリー層とそれぞれ接続されると共に行方向に並ぶ複数のビット線
(D3)複数のビット線のうちの1組のビット線を相互に繋ぎ、ビット線対を構成する連結部。
ここで、ビット線対のうちの一方のビット線に沿って並ぶ第1の列のMRAMセルは、ビット線対のうちの他方のビット線に沿って並ぶ第2のMRAMセルと並列接続されており、同一の行に位置する第1および第2の列のMRAMセルは、互いに異なる磁化状態を有している。
The second MRAM array of the present invention includes a plurality of MRAM cell subarrays and a sense amplifier that communicates with the plurality of MRAM cell subarrays, and includes the following constituent elements D1 to D3.
(D1) The MRAM cell sub-array is a plurality of MRAM cells arranged in the row direction and the column direction.
(D2) A plurality of bit lines extending in the column direction and connected to the free layers included in the plurality of MRAM cells arranged in the column direction and arranged in the row direction (D3) Of the plurality of bit lines A connecting portion that connects a pair of bit lines to each other to form a bit line pair.
Here, the MRAM cells in the first column aligned along one bit line of the bit line pair are connected in parallel to the second MRAM cells aligned along the other bit line of the bit line pair. In addition, the MRAM cells in the first and second columns located in the same row have different magnetization states.

本発明のMRAMセルサブアレイおよび第2のMRAMアレイでは、第1の列のMRAMセルと第2の列のMRAMセルとが互いに異なる磁化状態を有し、かつ、複数のビット線のうちの1組のビット線が連結部によって並列接続されてビット線対を構成していることから、複数のMRAMセルに基づいた安定したリファレンス電流が得られる。   In the MRAM cell sub-array and the second MRAM array of the present invention, the MRAM cell in the first column and the MRAM cell in the second column have different magnetization states, and one set of a plurality of bit lines Since the bit lines are connected in parallel by the connecting portion to form a bit line pair, a stable reference current based on a plurality of MRAM cells can be obtained.

本発明のMRAMリファレンスセルサブアレイの製造方法は、MRAMデータセルサブアレイおよびセンスアンプを複数備えたMRAMアレイに用いられ、センスアンプに対してリファレンス電流を供給するMRAMリファレンスセルサブアレイの製造方法であって、以下のE1〜E4の各工程を含むようにしたものである。
(E1)行方向および列方向に並ぶように複数のMRAMリファレンスセルを形成する工程。
(E2)列方向に延在し、かつ、列方向に並んだ複数のMRAMリファレンスセルに含まれるフリー層とそれぞれ接続すると共に隣り合うように第1および第2のビット線を配置することでビット線対を形成する工程。
(E3)ビット線対における第1および第2のビット線を相互に繋ぐ連結部を形成し、第1のビット線に沿って並ぶ第1の列のMRAMリファレンスセルと、第2のビット線に沿って並ぶ第2のMRAMリファレンスセルとを並列接続する工程。
(E4)同一の行に位置する第1および第2の列のMRAMリファレンスセルを、互いに異なる磁化状態に設定する工程。
A method for manufacturing an MRAM reference cell subarray according to the present invention is a method for manufacturing an MRAM reference cell subarray that is used in an MRAM array having a plurality of MRAM data cell subarrays and sense amplifiers and supplies a reference current to the sense amplifiers. The following steps E1 to E4 are included.
(E1) A step of forming a plurality of MRAM reference cells so as to be arranged in the row direction and the column direction.
(E2) The bit is formed by arranging the first and second bit lines so as to be connected to and adjacent to the free layers included in the plurality of MRAM reference cells extending in the column direction and arranged in the column direction. Forming a line pair;
(E3) A connecting portion that connects the first and second bit lines in the bit line pair to each other is formed, and the first column of MRAM reference cells arranged along the first bit line and the second bit line A step of connecting in parallel a second MRAM reference cell lined up along.
(E4) A step of setting the MRAM reference cells in the first and second columns located in the same row to different magnetization states.

本発明のMRAMリファレンスセルサブアレイの製造方法では、互いに異なる磁化状態を有し、かつ、連結部によって並列接続された第1の列のMRAMリファレンスセルおよび第2のMRAMリファレンスセルを有するビット線対が得られることから、複数のMRAMリファレンスセルに基づいた安定したリファレンス電流が得られる。   In the manufacturing method of the MRAM reference cell sub-array of the present invention, the bit line pair having the first column MRAM reference cell and the second MRAM reference cell, which have different magnetization states and are connected in parallel by the connecting portion, is provided. As a result, a stable reference current based on a plurality of MRAM reference cells can be obtained.

本発明のMRAMセルサブアレイの製造方法は、複数のセンスアンプと共にMRAMアレイに用いられるMRAMセルサブアレイの製造方法であって、以下のF1〜F4の各工程を含むようにしたものである。
(F1)行方向および列方向に並ぶように複数のMRAMセルを形成する工程。
(F2)列方向に並んだ複数のMRAMセルに含まれるフリー層とそれぞれ接続するように、列方向に延在し、かつ、行方向に並ぶ複数のビット線を形成する工程。
(F3)複数のビット線のうちの1組のビット線を相互に繋ぐ連結部を設けてビット線対を形成し、ビット線対のうちの一方のビット線に沿って並ぶ第1の列のMRAMセルと、ビット線対のうちの他方のビット線に沿って並ぶ第2のMRAMセルとを並列接続する工程。
(F4)同一の行に位置する第1および第2の列のMRAMセルのうち、一方を高抵抗状態とすると共に他方を低抵抗状態とする工程。
The manufacturing method of an MRAM cell subarray of the present invention is a manufacturing method of an MRAM cell subarray used for an MRAM array together with a plurality of sense amplifiers, and includes the following steps F1 to F4.
(F1) A step of forming a plurality of MRAM cells so as to be arranged in the row direction and the column direction.
(F2) A step of forming a plurality of bit lines extending in the column direction and arranged in the row direction so as to be connected to the free layers included in the plurality of MRAM cells arranged in the column direction.
(F3) A bit line pair is formed by providing a connecting portion that connects one set of bit lines of a plurality of bit lines to each other, and the first column arranged along one bit line of the bit line pairs Connecting in parallel the MRAM cell and a second MRAM cell arranged along the other bit line of the bit line pair.
(F4) A step of setting one of the MRAM cells in the first and second columns located in the same row to a high resistance state and the other to a low resistance state.

本発明のMRAMセルサブアレイの製造方法では、互いに異なる磁化状態を有し、かつ、連結部によって並列接続された第1の列のMRAMセルおよび第2のMRAMセルを有するビット線対が得られることから、複数のMRAMセルに基づいた安定したリファレンス電流が得られる。   In the manufacturing method of the MRAM cell sub-array of the present invention, a bit line pair having a first column MRAM cell and a second MRAM cell that have different magnetization states and are connected in parallel by a connecting portion is obtained. Thus, a stable reference current based on a plurality of MRAM cells can be obtained.

本発明のMRAMセルサブアレイ書込装置は、互いに通信可能に接続されたMRAMセルサブアレイおよびセンスアンプが複数形成された基板を保持する保持体と、MRAMセルサブアレイと接続され、MRAMセルサブアレイをセンスアンプから分離するように制御する制御装置と、MRAMセルサブアレイに対して所定の向きの磁場を発生させる磁場発生装置と、MRAMセルサブアレイへの書込を行う書込デバイスとを備えたものであり、MRAMセルサブアレイが、以下のG1〜G3の各構成要件を備えるようにしたものである。
(G1)行方向および列方向に並んだ複数のMRAMセル。
(G2)列方向に延在し、かつ、列方向に並んだ複数のMRAMセルに含まれるフリー層とそれぞれ接続されると共に行方向に並ぶ複数のビット線。
(G3)複数のビット線のうちの1組のビット線を相互に繋ぎ、ビット線対を構成する連結部。
ここで、ビット線対のうちの一方のビット線に沿って並ぶ第1の列のMRAMセルは、ビット線対のうちの他方のビット線に沿って並ぶ第2のMRAMセルと並列接続されており、書込デバイスは、MRAMセルサブアレイへの書込を行う際、フリー層に対する書込電流を、ビット線対のうちの一方のビット線に第1の方向へ流したのち、連結部を経由させ、ビット線対のうちの他方のビット線に第2の方向へ導くように機能する。
The MRAM cell sub-array writing device of the present invention includes a holding body for holding a substrate on which a plurality of MRAM cell sub-arrays and sense amplifiers connected so as to be communicable with each other, a MRAM cell sub-array connected to the MRAM cell sub-array, A control device that controls the MRAM cell subarray so as to be separated from the magnetic field generator, a magnetic field generator that generates a magnetic field in a predetermined direction with respect to the MRAM cell subarray, and a writing device that performs writing to the MRAM cell subarray, The MRAM cell sub-array has the following constituent elements G1 to G3.
(G1) A plurality of MRAM cells arranged in the row direction and the column direction.
(G2) A plurality of bit lines extending in the column direction and connected to free layers included in the plurality of MRAM cells arranged in the column direction and arranged in the row direction.
(G3) A connecting portion that connects a pair of bit lines among a plurality of bit lines to form a bit line pair.
Here, the MRAM cells in the first column aligned along one bit line of the bit line pair are connected in parallel to the second MRAM cells aligned along the other bit line of the bit line pair. The writing device, when writing to the MRAM cell sub-array, passes a write current for the free layer to one bit line of the bit line pair in the first direction and then passes through the coupling portion. And function to lead to the other bit line of the bit line pair in the second direction.

本発明のMRAMセルサブアレイ書込装置では、第1の列のMRAMセルと第2のMRAMセルとが並列接続されており、ビット線対のうちの一方のビット線に第1の方向へ流したのち、連結部を経由させ、ビット線対のうちの他方のビット線に第1の方向と反対の第2の方向へ導くように機能する書込デバイスを備えるようにしたので、複数のMRAMリファレンスセルに基づいた安定したリファレンス電流が得られる。   In the MRAM cell sub-array writing device of the present invention, the MRAM cell in the first column and the second MRAM cell are connected in parallel, and flowed in the first direction to one bit line of the bit line pair. After that, a plurality of MRAM references are provided because the writing device functioning to guide the other bit line of the pair of bit lines to the second direction opposite to the first direction is provided via the connecting portion. A stable reference current based on the cell is obtained.

本発明のMRAMセルサブアレイの書込方法は、行方向および列方向に並んだ複数のMRAMセルと、前記列方向に延在し、かつ、列方向に並んだ複数のMRAMセルに含まれるフリー層とそれぞれ接続されると共に行方向に並ぶ複数のビット線と、複数のビット線のうちの1組のビット線を相互に繋ぎ、ビット線対を構成する連結部とを備え、複数のセンスアンプと通信可能に接続されたMRAMセルサブアレイの書込方法であって、複数のMRAMセルのうちの書込対象とする被選択MRAMセルをセンスアンプから分離するステップと、被選択MRAMセルにおけるフリー層の磁化が所望の向きとなるような向きを示す磁場を形成するステップと、磁場を、被選択MRAMセルの近傍に配置するステップと、フリー層に対する書込ビット線電流を、ビット線対のうちの一方のビット線に第1の方向へ流したのち、連結部を経由させ、ビット線対のうちの他方のビット線に第1の方向と反対の第2の方向へ流すステップとを含むようにしたものである。   The MRAM cell sub-array writing method of the present invention includes a plurality of MRAM cells arranged in the row direction and the column direction, and a free layer extending in the column direction and included in the plurality of MRAM cells arranged in the column direction. A plurality of bit lines that are connected to each other and arranged in the row direction, and a pair of bit lines of the plurality of bit lines connected to each other to form a bit line pair. A method for writing to a communicably connected MRAM cell sub-array, the step of separating a selected MRAM cell to be written from a plurality of MRAM cells from a sense amplifier, and a free layer of the selected MRAM cell Forming a magnetic field indicating the direction in which the magnetization is in a desired direction, placing the magnetic field in the vicinity of the selected MRAM cell, and writing bits to the free layer. A line current is caused to flow in one bit line of the bit line pair in the first direction, and then is passed through the connecting portion, and the second bit line in the bit line pair is opposite to the first direction in the second direction. And a step of flowing in the direction of.

本発明のMRAMセルサブアレイの書込方法では、フリー層に対する書込ビット線電流を、ビット線対のうちの一方のビット線に第1の方向へ流したのち、連結部を経由させ、ビット線対のうちの他方のビット線に第2の方向へ流すようにしたので、複数のMRAMリファレンスセルに基づいた安定したリファレンス電流が得られる。   In the writing method of the MRAM cell sub-array of the present invention, the write bit line current for the free layer is caused to flow in the first direction to one bit line of the bit line pair, and then the bit line is passed through the connecting portion. Since the other bit line of the pair is caused to flow in the second direction, a stable reference current based on a plurality of MRAM reference cells can be obtained.

本発明のMRAMリファレンスセルサブアレイによれば、第1の列のMRAMリファレンスセルと第2のMRAMリファレンスセルとが互いに異なる磁化状態を有し、かつ、連結部によって並列接続されていることから、複数のMRAMリファレンスセルに基づいた安定したリファレンス電流を得ることができる。よって、このMRAMリファレンスセルサブアレイを用いた本発明の第1のMRAMアレイによれば、安定したリファレンス電流に基づいて精度の高い読出動作を行うことができる。   According to the MRAM reference cell sub-array of the present invention, since the MRAM reference cell and the second MRAM reference cell in the first column have different magnetization states and are connected in parallel by the connecting portion, A stable reference current based on the MRAM reference cell can be obtained. Therefore, according to the first MRAM array of the present invention using this MRAM reference cell subarray, a highly accurate read operation can be performed based on a stable reference current.

本発明のMRAMセルサブアレイによれば、第1の列のMRAMセルと第2の列のMRAMセルとが互いに異なる磁化状態を有し、かつ、複数のビット線のうちの1組のビット線が連結部によって並列接続されてビット線対を構成していることから、複数のMRAMセルに基づいた安定したリファレンス電流を得ることができる。よって、このMRAMセルサブアレイを用いた本発明の第2のMRAMアレイによれば、安定したリファレンス電流に基づいて精度の高い読出動作を行うことができる。   According to the MRAM cell sub-array of the present invention, the MRAM cell in the first column and the MRAM cell in the second column have different magnetization states, and one set of bit lines of the plurality of bit lines is Since the bit line pairs are configured in parallel by the connecting portion, a stable reference current based on a plurality of MRAM cells can be obtained. Therefore, according to the second MRAM array of the present invention using this MRAM cell sub-array, a highly accurate read operation can be performed based on a stable reference current.

本発明のMRAMリファレンスセルサブアレイの製造方法によれば、互いに異なる磁化状態を有し、かつ、連結部によって並列接続された第1の列のMRAMリファレンスセルおよび第2のMRAMリファレンスセルを有するビット線対を製造することができるので、複数のMRAMリファレンスセルに基づいた安定したリファレンス電流が得られるMRAMリファレンスセルサブアレイを実現することができる。   According to the manufacturing method of the MRAM reference cell subarray of the present invention, the bit line having the MRAM reference cells and the second MRAM reference cells in the first column having different magnetization states and connected in parallel by the connecting portion Since a pair can be manufactured, an MRAM reference cell sub-array that can obtain a stable reference current based on a plurality of MRAM reference cells can be realized.

本発明のMRAMセルサブアレイの製造方法によれば、互いに異なる磁化状態を有し、かつ、連結部によって並列接続された第1の列のMRAMセルおよび第2のMRAMセルを有するビット線対を製造することができるので、複数のMRAMセルに基づいた安定したリファレンス電流が得られるMRAMセルサブアレイを実現することができる。   According to the manufacturing method of the MRAM cell sub-array of the present invention, a bit line pair having a first column MRAM cell and a second MRAM cell that have different magnetization states and are connected in parallel by a connecting portion is manufactured. Therefore, it is possible to realize an MRAM cell sub-array that can obtain a stable reference current based on a plurality of MRAM cells.

本発明のMRAMセルサブアレイ書込装置によれば、第1の列のMRAMセルと第2のMRAMセルとが並列接続されており、ビット線対のうちの一方のビット線に第1の方向へ流したのち、連結部を経由させ、ビット線対のうちの他方のビット線に第1の方向と反対の第2の方向へ導くように機能する書込デバイスを備えるようにしたので、複数のMRAMリファレンスセルに基づいた安定したリファレンス電流を得ることができる。よって、このセルサブアレイ書込装置をMRAMアレイに適用すれば、安定したリファレンス電流に基づいて精度の高い読出動作を行うことができる。   According to the MRAM cell sub-array writing device of the present invention, the MRAM cell in the first column and the second MRAM cell are connected in parallel, and one bit line of the bit line pair is connected in the first direction. Since a writing device that functions to guide the second bit line of the pair of bit lines to the second direction opposite to the first direction is provided via the connecting portion after flowing, A stable reference current based on the MRAM reference cell can be obtained. Therefore, if this cell subarray writing device is applied to an MRAM array, a highly accurate read operation can be performed based on a stable reference current.

本発明のMRAMセルサブアレイの書込方法によれば、フリー層に対する書込ビット線電流を、ビット線対のうちの一方のビット線に第1の方向へ流したのち、連結部を経由させ、ビット線対のうちの他方のビット線に第2の方向へ流すようにしたので、複数のMRAMリファレンスセルに基づいた安定したリファレンス電流を得ることのできるMRAMセルサブアレイを実現することができる。   According to the writing method of the MRAM cell sub-array of the present invention, the write bit line current for the free layer is passed through one bit line of the bit line pair in the first direction, and then passed through the connecting portion. Since the second bit line of the bit line pair is caused to flow in the second direction, an MRAM cell sub-array that can obtain a stable reference current based on a plurality of MRAM reference cells can be realized.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[第1の実施の形態]
まず、図1〜図4を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る磁気メモリセルアレイの構成について説明する。
[First Embodiment]
First, the configuration of the magnetic memory cell array according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1は、本実施の形態の磁気メモリセルアレイ(以下、MRAMアレイという。)1の全体構成を示した概略図である。MRAMアレイ1は、いわゆる半導体メモリチップとして用いられるものであり、センスアンプ330を挟んで配置された上部アレイブロック300および下部アレイブロック305を備えている。上部および下部アレイブロック300,305は、それぞれ、一列に並んだ複数のMRAMデータセルサブアレイ(以下、単にデータセルサブアレイという。)100を有している。上部および下部アレイブロック300,305には、さらに、それらの間(例えば中央)にMRAMリファレンスセルサブアレイ(以下、単にリファレンスセルサブアレイという。)200が1つ設けられている。   FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a magnetic memory cell array (hereinafter referred to as an MRAM array) 1 according to the present embodiment. The MRAM array 1 is used as a so-called semiconductor memory chip, and includes an upper array block 300 and a lower array block 305 arranged with a sense amplifier 330 interposed therebetween. Each of the upper and lower array blocks 300 and 305 has a plurality of MRAM data cell subarrays (hereinafter simply referred to as data cell subarrays) 100 arranged in a line. The upper and lower array blocks 300 and 305 are further provided with one MRAM reference cell subarray (hereinafter simply referred to as a reference cell subarray) 200 between them (for example, in the center).

さらに、上部書込線群310および上部読出書込線群315が、上部アレイブロック300を挟むように設けられており、上部アレイブロック300における各データセルサブアレイ100およびリファレンスセルサブアレイ200とそれぞれ接続されている。同様に、下部書込線群325および下部読出書込線群320が、下部アレイブロック305を挟むように設けられており、下部アレイブロック305における各データセルサブアレイ100およびリファレンスセルサブアレイ200とそれぞれ接続されている。   Further, upper write line group 310 and upper read write line group 315 are provided so as to sandwich upper array block 300, and are connected to each data cell subarray 100 and reference cell subarray 200 in upper array block 300, respectively. ing. Similarly, a lower write line group 325 and a lower read write line group 320 are provided so as to sandwich the lower array block 305, and are connected to each data cell subarray 100 and reference cell subarray 200 in the lower array block 305, respectively. Has been.

上部読出書込線群315および下部読出書込線群320の他端は、センスアンプ330と接続されている。センスアンプ330は、選択されたデータセルサブアレイ100における選択されたデータセル105(後出)のディジタルデータを検出(detect)するものである。リファレンスセルサブアレイ200は、リファレンス電流を発生させ、センスアンプ330に入力するように機能する。リファレンス電流は、読出動作の際、選択されたデータセルサブアレイ100のデータセル105のディジタルデータ状態を決定するために用いられるものである。センスアンプ330によって再生されるディジタルデータは、データドライバ360へ移され、外部回路へ出力データ365として出力される。なお、ディジタルデータは、シングルビットでもよいし、8ビット,16ビットまたは32ビットのデータ幅を有するようにしてもよい。   The other ends of upper read write line group 315 and lower read write line group 320 are connected to sense amplifier 330. The sense amplifier 330 detects digital data of the selected data cell 105 (described later) in the selected data cell sub-array 100. The reference cell subarray 200 functions to generate a reference current and input it to the sense amplifier 330. The reference current is used to determine the digital data state of the data cell 105 of the selected data cell subarray 100 during the read operation. Digital data reproduced by the sense amplifier 330 is transferred to the data driver 360 and output as output data 365 to an external circuit. The digital data may be a single bit, or may have a data width of 8 bits, 16 bits, or 32 bits.

MRAMアレイ1は、さらに、アドレスバス335、ワード線デコーダ350、コラムデコーダセクション375a〜375dおよびコントロールデコーダ355などを備えている。   The MRAM array 1 further includes an address bus 335, a word line decoder 350, column decoder sections 375a to 375d, a control decoder 355, and the like.

アドレスバス335は、ディジタルアドレスワード(アドレスデータ)を供給するものであり、ワード線デコーダ350およびコラムデコーダセクション375a〜375dと接続されている。ワード線デコーダ350は、所望のディジタルデータを含むデータセル500の場所を選択するためにディジタルアドレスワードを複合化(デコード)する。   The address bus 335 supplies a digital address word (address data), and is connected to the word line decoder 350 and the column decoder sections 375a to 375d. The word line decoder 350 decodes the digital address word to select the location of the data cell 500 that contains the desired digital data.

コントロールデコーダ355は、読出書込制御線345およびクロック線340から、ディジタルタイミング信号およびディジタル制御信号を受け取り、ワード線デコーダ350、コラムデコーダセクション375a〜375d、ならびに上部および下部アレイブロック300,305に対し、必要なタイミング信号および制御信号を供給する。コントロールデコーダ355により、所望のデータセル105からディジタルデータを読み出す際、あるいは所望のデータセルサブアレイ100への書き込みを行う際、選択されたデータセルサブアレイ100およびそれに対応したリファレンスセルサブアレイ200をアクティブ状態とする信号が形成される。   Control decoder 355 receives digital timing signals and digital control signals from read / write control line 345 and clock line 340, and provides for word line decoder 350, column decoder sections 375a-375d, and upper and lower array blocks 300, 305. Provide the necessary timing and control signals. When digital data is read from the desired data cell 105 or written to the desired data cell sub-array 100 by the control decoder 355, the selected data cell sub-array 100 and the reference cell sub-array 200 corresponding thereto are set in the active state. Signal is formed.

次に、図2を参照して、データセルサブアレイ100の構成について説明する。図2は、MRAMアレイ1におけるデータセルサブアレイ100およびその周辺の平面構成を示した概略図である。   Next, the configuration of the data cell sub-array 100 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram showing a planar configuration of the data cell sub-array 100 and its periphery in the MRAM array 1.

データセルサブアレイ100は、列および行をなすように配置されて組織化された複数のMRAMデータセル(以下、単にデータセルという。)105を備えている。図3に、データセル105の断面構造の一例を示す。各データセル105は、互いに接することなく直交するビット線107および書込ワード線109の間に設けられたMTJ素子90を有している。MTJ素子90は、ビット線107の側から、フリー層91、トンネルバリア層92、ピンド層93を順に有している。フリー層91の磁化J91の方向は外部磁場に応じて変化するのに対し、ピンド層93の磁化J93の方向は特定の方向(例えばビット線107に沿った方向)に固定されている。磁化J93の方向は、MTJ素子90の製造過程で決定される。各データセル105は、MTJ素子90における磁化J93と磁化J91との相対的な方向に応じたディジタルデータを保持している。   The data cell sub-array 100 includes a plurality of MRAM data cells (hereinafter simply referred to as data cells) 105 arranged and organized in columns and rows. FIG. 3 shows an example of a cross-sectional structure of the data cell 105. Each data cell 105 has an MTJ element 90 provided between a bit line 107 and a write word line 109 which are orthogonal to each other without being in contact with each other. The MTJ element 90 has a free layer 91, a tunnel barrier layer 92, and a pinned layer 93 in this order from the bit line 107 side. The direction of the magnetization J91 of the free layer 91 changes according to the external magnetic field, while the direction of the magnetization J93 of the pinned layer 93 is fixed in a specific direction (for example, a direction along the bit line 107). The direction of the magnetization J93 is determined in the manufacturing process of the MTJ element 90. Each data cell 105 holds digital data corresponding to the relative directions of magnetization J93 and magnetization J91 in the MTJ element 90.

MTJ素子90の一方の側に位置するフリー層91はビット線107と直接接しているが、MTJ素子90と書込ワード線109との間には、ピンド層107と接するように導線94が設けられている。書込ワード線109は、MTJ素子90と電気的に接触をすることなく、その近傍に配置されている。書込ワード線109には、ある方向に書込ワード線電流Irが流れるようになっている。ビット線107に流れる書込ビット線電流Icと書込ワード線109を流れる書込ワード線電流Irとによって合成磁場を形成し、フリー層91の磁化J91の方向を決定するようになっている。磁化J91の方向によってディジタルデータの状態が決定される。ピンド層93と接続された導線94の一端には、アイソレーショントランジスタ95(以下、単にトランジスタ95という。)が設けられている。トランジスタ95のソースは接地されており、トランジスタ95のゲートは、読出ワード線165と接続されている。   The free layer 91 located on one side of the MTJ element 90 is in direct contact with the bit line 107, but a conductor 94 is provided between the MTJ element 90 and the write word line 109 so as to be in contact with the pinned layer 107. It has been. The write word line 109 is arranged in the vicinity thereof without making electrical contact with the MTJ element 90. A write word line current Ir flows in the write word line 109 in a certain direction. A combined magnetic field is formed by the write bit line current Ic flowing through the bit line 107 and the write word line current Ir flowing through the write word line 109, and the direction of the magnetization J91 of the free layer 91 is determined. The state of the digital data is determined by the direction of the magnetization J91. An isolation transistor 95 (hereinafter simply referred to as a transistor 95) is provided at one end of the conducting wire 94 connected to the pinned layer 93. The source of the transistor 95 is grounded, and the gate of the transistor 95 is connected to the read word line 165.

列方向に並んだデータセル105に沿って延在し、かつ、行方向に並ぶようにビット線107(107a,107b,・・・,107n-1,107n)が設けられており、それぞれデータセル105のフリー層91と接続されている。同様に、行方向に並んだデータセル105に沿って延在し、かつ、列方向に並ぶように書込ワード線109(109a,109b,・・・,109n-1,109n)が設けられている。各書込ワード線109は、それぞれデータセル105と近接して配置されている。 Bit lines 107 (107 a , 107 b ,..., 107 n−1 , 107 n ) are provided so as to extend along the data cells 105 arranged in the column direction and in the row direction. Are connected to the free layer 91 of each data cell 105. Similarly, the write word lines 109 (109 a , 109 b ,..., 109 n−1 , 109 n ) extend along the data cells 105 aligned in the row direction and are aligned in the column direction. Is provided. Each write word line 109 is arranged close to the data cell 105.

各ビット線107の一端は、ブロック読出書込選択トランジスタ110(110a,110b,・・・,110n-1,110n)のソースとそれぞれ接続されている。各ビット線107の他端は、ブロック書込選択トランジスタ115(115a,115b,・・・,115n-1,115n)のドレインと接続されている。各ブロック読出書込選択トランジスタ110のドレインは、それぞれ、読出書込線130と接続されている。この読出書込線130は、図1に示した上部読出書込線群315および下部読出書込線群320に含まれるものである。一方、各ブロック書込選択トランジスタ115のソースは、書込線135とそれぞれ接続されている。この書込線135は、図1に示した上部書込線群310および下部書込線群325に含まれるものである。全てのブロック読出書込選択トランジスタ110のゲートには、ブロック読出書込選択線120が接続されている。また、全ての各ブロック書込選択トランジスタ115のゲートには、ブロック書込選択線125が接続されている。 One end of each bit line 107 is connected to the source of the block read / write select transistor 110 (110 a , 110 b ,..., 110 n−1 , 110 n ). The other end of each bit line 107 is connected to the drain of a block write selection transistor 115 (115 a , 115 b ,..., 115 n−1 , 115 n ). The drain of each block read / write select transistor 110 is connected to the read / write line 130. This read / write line 130 is included in upper read / write line group 315 and lower read / write line group 320 shown in FIG. On the other hand, the source of each block write selection transistor 115 is connected to the write line 135. This write line 135 is included in upper write line group 310 and lower write line group 325 shown in FIG. A block read / write select line 120 is connected to the gates of all the block read / write select transistors 110. Further, a block write selection line 125 is connected to the gates of all the block write selection transistors 115.

各書込ワード線109の一端は、全て、ブロック選択トランジスタ145のソースと接続されている。各書込ワード線109の他端は、それぞれ、書込用の行選択トランジスタ155(155a,155b,・・・,155m-1,155m)のドレインと接続されている。ブロック選択トランジスタ145のドレインは、行方向電流の電流源140と接続されており、ブロック選択トランジスタ145のゲートは、ブロック選択線150と接続されている。各行選択トランジスタ155のソースは電位基準点に接地されており、各行選択トランジスタ155のゲートは、行選択書込線160(160a,160b,・・・,160m-1,160m)とそれぞれ接続されている。ブロック選択線150は、ブロック選択トランジスタ145のアクティブ化および非アクティブ化を制御する。ブロック選択トランジスタ145は、電流源140から、選択されたデータセル105の近傍を通過するように流れる書込ワード線電流Irを制御するためのものである。行選択書込線160は、電流源140から書込ワード線109を通過するように書込ワード線電流を導くために、行選択トランジスタ155のアクティブおよび非アクティブを制御するために使用される。 One end of each write word line 109 is all connected to the source of the block selection transistor 145. The other end of each write word line 109 is connected to the drain of a write row selection transistor 155 (155 a , 155 b ,..., 155 m−1 , 155 m ). The drain of the block selection transistor 145 is connected to the current source 140 of the row direction current, and the gate of the block selection transistor 145 is connected to the block selection line 150. The source of each row selection transistor 155 is grounded to a potential reference point, and the gate of each row selection transistor 155 is connected to a row selection write line 160 (160 a , 160 b ,..., 160 m−1 , 160 m ). Each is connected. Block select line 150 controls activation and deactivation of block select transistor 145. The block selection transistor 145 is for controlling the write word line current Ir flowing from the current source 140 so as to pass through the vicinity of the selected data cell 105. Row select write line 160 is used to control the active and inactive of row select transistor 155 to direct the write word line current from current source 140 through write word line 109.

データセルサブアレイ100には、データセル105の各行に沿って、読出ワード線165(165a,165b,・・・,165m-1,165m)が設けられている。この読出ワード線165は、各データセル105のアイソレーショントランジスタ95のゲートと接続されている。読出ワード線165は、行方向に並ぶ各データセル105のアイソレーショントランジスタのアクティブ化および非アクティブ化を制御する。データセルサブアレイ100は、ビット線107から、選択されたデータセル105のMTJ素子90(後出)を通過するように読出電流を導くための再生動作の間、アクティブ状態とされる。 The data cell subarray 100 is provided with read word lines 165 (165 a , 165 b ,..., 165 m−1 , 165 m ) along each row of the data cells 105. This read word line 165 is connected to the gate of the isolation transistor 95 of each data cell 105. Read word line 165 controls activation and deactivation of isolation transistors of data cells 105 arranged in the row direction. Data cell subarray 100 is activated during a reproducing operation for guiding a read current from bit line 107 so as to pass through MTJ element 90 (described later) of selected data cell 105.

データセル105の各行または各列への書込動作を行う際には、ブロック読出書込選択線120を用いてブロック読出書込選択トランジスタ110をオンにする(駆動させる)すると共に、ブロック書込選択線125を用いてブロック書込選択トランジスタ115を駆動させるようにする。このような状態において、書込ビット線電流Icが読出書込線130と書込線135との間をビット線107を経由して流れる。書込ビット線電流Icの向きは、書き込まれるディジタルデータの状態によって決定される。   When performing a write operation to each row or each column of data cell 105, block read / write select transistor 110 is turned on (driven) using block read / write select line 120, and block write is performed. The block write selection transistor 115 is driven using the selection line 125. In such a state, the write bit line current Ic flows between the read write line 130 and the write line 135 via the bit line 107. The direction of the write bit line current Ic is determined by the state of the digital data to be written.

データセル105への書込動作を行う際には、ブロック選択線150からの信号によってブロック選択トランジスタ145がアクティブとなるように設定される。このような状態において、行方向の書込ワード線電流Irが電流源140から選択された書込線109を流れることとなる。このとき、選択された行選択書込線160によって、所定の書込ワード線109に書込ワード線電流Irが流れるように、行選択トランジスタ155がアクティブ状態とされる。行方向の書込ワード線電流Irおよび列方向の書込ビット線電流Icは、その交差点近傍において合成磁場を形成し、その合成磁場によって、選択された(所望の)データセル105のフリー層91(後出)の磁化方向が設定される。書込ワード線電流Irおよび書込ビット線電流Icのいずれかが流れない箇所に相当するデータセル105においては、そのフリー層91の磁化方向は変更されない(反転しない)。すなわち、所望のデータセル105のフリー層91の磁化方向を反転させるには、その位置に対応した書込ワード線電流Irおよび書込ビット線電流Icの双方が流れる必要がある。   When a write operation to the data cell 105 is performed, the block selection transistor 145 is set to be active by a signal from the block selection line 150. In such a state, the write word line current Ir in the row direction flows through the write line 109 selected from the current source 140. At this time, the row selection transistor 155 is activated so that the write word line current Ir flows through the predetermined write word line 109 by the selected row selection write line 160. The write word line current Ir in the row direction and the write bit line current Ic in the column direction form a combined magnetic field in the vicinity of the intersection, and the free layer 91 of the selected (desired) data cell 105 is generated by the combined magnetic field. The magnetization direction (described later) is set. In data cell 105 corresponding to a location where either write word line current Ir or write bit line current Ic does not flow, the magnetization direction of free layer 91 is not changed (not inverted). That is, in order to reverse the magnetization direction of the free layer 91 of the desired data cell 105, it is necessary that both the write word line current Ir and the write bit line current Ic corresponding to the position flow.

データセルサブアレイ100のうちの所望のデータセル105からの読出動作の際には、ブロック読出書込選択線120によって、全てのブロックに対応するブロック読出書込選択トランジスタ110がオンの状態となるように設定されると共に、ブロック書込選択線125によって、ブロック書込選択トランジスタ115がオンの状態となるように設定される。さらに読出ワード線165は、データセルサブアレイ100のうちの所望の行を選択するためのアイソレーショントランジスタ95をそれぞれオンとするように設定される。このような状態となると、図3(B)に示したように、セル電流96が流れるようになる。セル電流96は、センスアンプ330によって検出される。センスアンプ330の動作や機能については、後述する。   In a read operation from a desired data cell 105 in data cell subarray 100, block read / write select transistors 110 corresponding to all blocks are turned on by block read / write select line 120. And the block write selection line 125 is set so that the block write selection transistor 115 is turned on. Further, read word line 165 is set to turn on isolation transistors 95 for selecting a desired row in data cell subarray 100. In such a state, the cell current 96 flows as shown in FIG. The cell current 96 is detected by the sense amplifier 330. The operation and function of the sense amplifier 330 will be described later.

次に、図4を参照して、リファレンスセルサブアレイ200の構成について説明する。図4は、MRAMアレイ1におけるリファレンスセルサブアレイ200およびその周辺の平面構成を示した概略図である。   Next, the configuration of the reference cell subarray 200 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic diagram showing a planar configuration of the reference cell sub-array 200 and its periphery in the MRAM array 1.

リファレンスセルサブアレイ200は、列および行をなすように配置されて組織化された複数のMRAMリファレンスセル(以下、単にリファレンスセルという。)205を備えている。リファレンスセル205の各々は、図3に示したように、基本的にデータセル105と同じ断面構造を有している。但し、各リファレンスセル205は、互いに接することなく直交するビット線207(またはビット線208)および書込ワード線209の間にMTJ素子90を有している。MTJ素子90は、データセル105と共通の構成である。トランジスタ95のゲートは、読出ワード線265と接続されている。   The reference cell sub-array 200 includes a plurality of MRAM reference cells (hereinafter simply referred to as reference cells) 205 arranged and organized in columns and rows. Each reference cell 205 basically has the same cross-sectional structure as the data cell 105 as shown in FIG. However, each reference cell 205 has an MTJ element 90 between a bit line 207 (or bit line 208) and a write word line 209 which are orthogonal to each other without being in contact with each other. The MTJ element 90 has a common configuration with the data cell 105. The gate of transistor 95 is connected to read word line 265.

リファレンスセルサブアレイ200には、列方向に並んだリファレンスセル205に沿って延在し、かつ、行方向に並ぶようにビット線207(207a,207b,・・・,207n-1,207n)およびビット線208(208a,208b,・・・,208n-1,208n)が設けられている。ビット線207,208は、それぞれリファレンスセル205のフリー層91と接続されている。ビット線207に対応するリファレンスセル205の列と、ビット線208に対応するリファレンスセル205の列とが対をなしており、対になったビット線207およびビット線208は、連結部270によってそれぞれ互いに結合されている。すなわち、ビット線207に沿って並ぶ第1の列のリファレンスセル205は、ビット線208に沿って並ぶ第2のリファレンスセルと並列接続されている。ここで、同じ行に位置する一対のリファレンスセル205のうち、一方は高い抵抗値を示す状態に対応した磁化方向を有するようにプログラムされ、他方は低い抵抗値を示す状態に対応した磁化方向を有するようにプログラムされる。なお、リファレンスセル205は、高抵抗状態または低抵抗状態のいずれかとなるように選択的にプログラムされる。 In the reference cell sub-array 200, bit lines 207 (207 a , 207 b ,..., 207 n−1 , 207 extend along the reference cells 205 aligned in the column direction and are aligned in the row direction. n ) and bit lines 208 (208 a , 208 b ,..., 208 n−1 , 208 n ) are provided. The bit lines 207 and 208 are connected to the free layer 91 of the reference cell 205, respectively. The column of the reference cells 205 corresponding to the bit line 207 and the column of the reference cells 205 corresponding to the bit line 208 form a pair, and the bit line 207 and the bit line 208 that are paired are connected by the connecting unit 270, respectively. Are connected to each other. That is, the reference cells 205 in the first column aligned along the bit line 207 are connected in parallel with the second reference cells aligned along the bit line 208. Here, of a pair of reference cells 205 located in the same row, one is programmed to have a magnetization direction corresponding to a state showing a high resistance value, and the other has a magnetization direction corresponding to a state showing a low resistance value. Programmed to have. Note that the reference cell 205 is selectively programmed to be in either a high resistance state or a low resistance state.

リファレンスセルサブアレイ200には、行方向に並んだリファレンスセル205に沿って延在し、かつ、列方向に並ぶように書込ワード線209(209a,209b,・・・,209n-1,209n)がさらに設けられている。各書込ワード線209は、それぞれリファレンスセル205と近接して配置されている。 In the reference cell sub-array 200, write word lines 209 (209 a , 209 b ,..., 209 n−1) extend along the reference cells 205 aligned in the row direction and are aligned in the column direction. , 209 n ). Each write word line 209 is arranged close to the reference cell 205.

ビット線207,208の各々の一端は、ブロック読出書込選択トランジスタ211,212の各ソースとぞれぞれ接続されており、他端は、ブロック書込選択トランジスタ215,216の各ドレインとぞれぞれ接続されている。ブロック読出書込選択トランジスタ211,212の各ドレインは、読出書込線230とそれぞれ接続されており、ブロック書込選択トランジスタ215,216の各ソースは書込線235とそれぞれ接続されている。読出書込線230は、図1に示した上部読出書込線群315および下部読出書込線群320に含まれるものであり、書込線135は、図1に示した上部書込線群310および下部書込線群325に含まれるものである。   One end of each of bit lines 207 and 208 is connected to each source of block read / write select transistors 211 and 212, and the other end is connected to each drain of block write select transistors 215 and 216, respectively. Each is connected. The drains of the block read / write selection transistors 211 and 212 are connected to the read / write line 230, respectively, and the sources of the block write selection transistors 215 and 216 are connected to the write line 235, respectively. Read write line 230 is included in upper read write line group 315 and lower read write line group 320 shown in FIG. 1, and write line 135 is an upper write line group shown in FIG. 310 and the lower write line group 325.

全てのブロック読出書込選択トランジスタ212のゲートは、ブロック読出書込リファレンス選択線220と接続されている。ブロック読出書込選択トランジスタ212の各ドレインは、ビット線208とそれぞれ接続されている。全てのブロック読出書込選択トランジスタ211のゲートには、ブロック読出書込リファレンス選択線222と接続されている。ブロック読出書込選択トランジスタ211の各ドレインは、ビット線207とそれぞれ接続されている。   The gates of all the block read / write selection transistors 212 are connected to the block read / write reference selection line 220. Each drain of the block read / write select transistor 212 is connected to the bit line 208. The gates of all the block read / write select transistors 211 are connected to the block read / write reference select line 222. Each drain of the block read / write select transistor 211 is connected to the bit line 207.

また、全てのブロック書込選択トランジスタ215のゲートには、ブロック書込リファレンス選択線225が接続されており、ブロック書込選択トランジスタ215のソースは、ビット線207と接続されている。さらに、全てのブロック書込選択トランジスタ216のゲートには、ブロック書込リファレンス選択線227が接続されており、ブロック書込選択トランジスタ216のソースは、ビット線208と接続されている。   Further, the block write reference selection line 225 is connected to the gates of all the block write selection transistors 215, and the source of the block write selection transistor 215 is connected to the bit line 207. Further, the block write reference selection line 227 is connected to the gates of all the block write selection transistors 216, and the source of the block write selection transistor 216 is connected to the bit line 208.

任意のMRAMリファレンスセルサブアレイ200を選択するにあたり、ブロック読出書込リファレンス選択線220,222、ブロック書込リファレンス選択線225,227は、それぞれ、ビット線207,208を選択された状態にする(アクティブとする)ために使用される。   In selecting an arbitrary MRAM reference cell sub-array 200, the block read / write reference selection lines 220 and 222 and the block write reference selection lines 225 and 227 make the bit lines 207 and 208 selected (active), respectively. To be used).

各書込ワード線209の一端は、全て、ブロック選択トランジスタ245のソースと接続されている。各書込ワード線209の他端は、それぞれ、書込用の行選択トランジスタ255(255a,255b,・・・,255m-1,255m)のドレインと接続されている。ブロック選択トランジスタ245のドレインは、行方向電流の電流源240と接続されており、ブロック選択トランジスタ245のゲートは、ブロック選択線250と接続されている。行選択トランジスタ255の各ソースは、接地されており、行選択トランジスタ255の各ゲートは、行選択書込線260(260a,260b,・・・,260m-1,260m)とそれぞれ接続されている。ブロック選択線250は、ブロック選択トランジスタ245がアクティブな状態または非アクティブな状態となるように制御し、選択された行のリファレンスセル205に電流源240から書込線209へ向かう書込ワード線電流Irが流れるようにするものである。行選択書込線260は、行選択トランジスタ255のアクティブおよび非アクティブを制御し、電流源240からの書込ワード線電流Irが所望の書込線209を通過するようにするものである。 One end of each write word line 209 is all connected to the source of the block selection transistor 245. The other end of each write word line 209 is connected to the drain of a write row selection transistor 255 (255 a , 255 b ,..., 255 m−1 , 255 m ). The drain of the block selection transistor 245 is connected to the current source 240 of the row direction current, and the gate of the block selection transistor 245 is connected to the block selection line 250. Each source of the row selection transistor 255 is grounded, and each gate of the row selection transistor 255 is connected to a row selection write line 260 (260 a , 260 b ,..., 260 m−1 , 260 m ), respectively. It is connected. The block selection line 250 controls the block selection transistor 245 to be in an active state or an inactive state, and the write word line current flowing from the current source 240 to the write line 209 in the reference cell 205 of the selected row. Ir is allowed to flow. The row selection write line 260 controls the active and inactivity of the row selection transistor 255 so that the write word line current Ir from the current source 240 passes through the desired write line 209.

リファレンスセルサブアレイ200には、リファレンスセル205の各行に沿って、読出ワード線265(265a,265b,・・・,265m-1,265m)が設けられている。この読出ワード線265は、各リファレンスセル205のアイソレーショントランジスタ95のゲートに接続されている。読出ワード線265は、アイソレーショントランジスタ95のアクティブおよび非アクティブを制御する。読出動作の際にはアクティブな状態となり、セル電流96がビット線207,208から、選択されたリファレンスセル205のMTJ素子90へ流れるように導かれることとなる。リファレンスセルサブアレイ200を用いた読出動作および書込動作については後述する。 The reference cell subarray 200 is provided with read word lines 265 (265 a , 265 b ,..., 265 m−1 , 265 m ) along each row of the reference cells 205. This read word line 265 is connected to the gate of the isolation transistor 95 of each reference cell 205. Read word line 265 controls the active and inactive states of isolation transistor 95. In the read operation, the active state is entered, and the cell current 96 is guided to flow from the bit lines 207 and 208 to the MTJ element 90 of the selected reference cell 205. A read operation and a write operation using the reference cell subarray 200 will be described later.

図5は、上部アレイブロック300からディジタルデータを読み出す際の制御およびデータフローについて例示したものである。ディジタルデータを読み出すにあたり、上部アレイブロック300における任意のデータセルサブアレイ100が選択される。上部アレイブロック300の中から所定のデータセルサブアレイ100が選ばれると、下部アレイブロック305におけるリファレンスセルサブアレイ200が自動的に付随することとなる。コラムデコーダセクション375b,375c(図1)は、被選択データセルサブアレイ100を特定するために、入力されるディジタルアドレスワードをデコードする。そののち、コラムデコーダセクション375b,375cは、被選択データセルサブアレイ100に対応する読出書込線130をアクティブ状態とし、被選択データセルサブアレイ100におけるデータセル105の列が読出書込線130と接続するようにブロック読出書込選択線120によってブロック読出書込選択トランジスタ110を駆動させる。   FIG. 5 illustrates the control and data flow when reading digital data from the upper array block 300. In reading the digital data, an arbitrary data cell sub-array 100 in the upper array block 300 is selected. When a predetermined data cell sub-array 100 is selected from the upper array block 300, the reference cell sub-array 200 in the lower array block 305 is automatically attached. Column decoder sections 375b and 375c (FIG. 1) decode input digital address words to identify selected data cell subarray 100. After that, the column decoder sections 375b and 375c activate the read write line 130 corresponding to the selected data cell subarray 100, and the column of the data cell 105 in the selected data cell subarray 100 is connected to the read write line 130. Thus, the block read / write select transistor 110 is driven by the block read / write select line 120.

ここで、ワード線デコーダ350(図1)は、被選択データセルサブアレイ100の行を決定するために、入力されるディジタルアドレスワードをデコードする。ワード線デコーダ350は、所望の行からの読出を行うために読出ワード線165をアクティブ状態とする。読出ワード線165は、選択された行に含まれる各データセル105のトランジスタ95を駆動させ、その結果、読出書込線130から被選択データセル105におけるMTJ素子90へセル電流96が通過するようにする。コントロールデコーダ355は、さらに、ブロック書込選択線125を非アクティブ状態とし、書込線135を、被選択データセルサブアレイ100の全てのビット線107から遮断するようにする。   Here, the word line decoder 350 (FIG. 1) decodes the input digital address word in order to determine the row of the selected data cell sub-array 100. Word line decoder 350 activates read word line 165 in order to read data from a desired row. Read word line 165 drives transistor 95 of each data cell 105 included in the selected row, so that cell current 96 passes from read write line 130 to MTJ element 90 in selected data cell 105. To. The control decoder 355 further deactivates the block write selection line 125 so that the write line 135 is blocked from all the bit lines 107 of the selected data cell sub-array 100.

コラムデコーダセクション375cが上部読出書込線130をアクティブ状態とすると共に、ブロック読出書込選択トランジスタ110を駆動させ、被選択データセルサブアレイ100におけるデータセル105の列が読出書込線130と接続するようにブロック読出書込選択線120を設定する場合、読出書込線230も同様にアクティブ状態とされると共に、ブロック読出書込リファレンス選択線220,222がアクティブ状態となり、ブロック読出書込選択トランジスタ211,212がオンの状態となる。これにより、読出書込線230は、対応するリファレンスセルサブアレイ200におけるリファレンスセル205の列と接続されることとなる。ワード線デコーダ350は、選択された読出ワード線265をアクティブ状態とし、リファレンスセルサブアレイ200のうちの選択された行のリファレンスセル205におけるトランジスタ95を駆動させる。   Column decoder section 375c activates upper read / write line 130 and drives block read / write select transistor 110 to connect the column of data cells 105 in selected data cell subarray 100 to read / write line 130. When the block read / write selection line 120 is set as described above, the read / write line 230 is similarly activated, and the block read / write reference selection lines 220 and 222 are activated, so that the block read / write select transistor is activated. 211 and 212 are turned on. Thus, read / write line 230 is connected to the column of reference cells 205 in the corresponding reference cell sub-array 200. The word line decoder 350 activates the selected read word line 265 and drives the transistor 95 in the reference cell 205 of the selected row in the reference cell subarray 200.

データセルサブアレイ100における第1のビット線107(例えば107a)と、リファレンスセルサブアレイ200における第1のビット線207(例えば207a)とは、それぞれ、読出書込線130aおよび読出書込線230aを介してセンスアンプ400aと接続されている。同様に、データセルサブアレイ100における第2のビット線107(例えば107b)と、リファレンスセルサブアレイ200における第2のビット線208a)とは、それぞれ、読出書込線130bおよび読出書込線230bを介してセンスアンプ400bと接続されている。   The first bit line 107 (for example, 107a) in the data cell subarray 100 and the first bit line 207 (for example, 207a) in the reference cell subarray 200 are connected via the read / write line 130a and the read / write line 230a, respectively. Are connected to the sense amplifier 400a. Similarly, second bit line 107 (for example, 107b) in data cell subarray 100 and second bit line 208a in reference cell subarray 200 are connected via read write line 130b and read write line 230b, respectively. Are connected to the sense amplifier 400b.

図6は、内在するスイッチングバイアス電圧412が、センスアンプ400a,400bのトランジスタ405a,405b,407aおよび407bを駆動させ、それらトランジスタ405a,405b,407aおよび407bのノード電圧(node voltage)をデータセルサブアレイ100のデータセル105およびリファレンスセルサブアレイ200のリファレンスセル205のMTJ素子90の伝導性に必要なバイアス電圧レベルに維持している様子を表している。読出書込線130a,130bは、バイアス電圧レベル420a,420bにそれぞれ設定されている。バイアス電圧レベル420aは、センス電流422aをもたらし、バイアス電圧レベル420bは、センス電流422bをもたらす。センス電流422a,422bは、データセルサブアレイ100のビット線107から、被選択データセル105を流れる。被選択データセル105におけるMTJ素子90の抵抗によってセンス電流422a,422bの大きさが決定される。   FIG. 6 shows that the inherent switching bias voltage 412 drives the transistors 405a, 405b, 407a and 407b of the sense amplifiers 400a and 400b, and the node voltages of these transistors 405a, 405b, 407a and 407b are represented in the data cell subarray. The figure shows that the bias voltage level necessary for the conductivity of the MTJ element 90 of the 100 data cells 105 and the reference cells 205 of the reference cell subarray 200 is maintained. Read / write lines 130a and 130b are set to bias voltage levels 420a and 420b, respectively. Bias voltage level 420a provides sense current 422a and bias voltage level 420b provides sense current 422b. The sense currents 422a and 422b flow from the bit line 107 of the data cell subarray 100 to the selected data cell 105. The magnitudes of the sense currents 422a and 422b are determined by the resistance of the MTJ element 90 in the selected data cell 105.

読出書込線230a,230bは、それぞれリファレンスバイアス電圧レベル425a,425bに設定されている。リファレンスバイアス電圧レベル425aはリファレンス電流427aをもたらし、リファレンスバイアス電圧レベル425bはリファレンス電流427bをもたらす。リファレンス電流427aは、リファレンスセルサブアレイ200のビット線207から、被選択リファレンスセル205の列を流れる。被選択リファレンスセル205の列におけるMTJ素子90の抵抗によってリファレンス電流427a,427bの大きさが決定される。   Read / write lines 230a and 230b are set to reference bias voltage levels 425a and 425b, respectively. Reference bias voltage level 425a provides a reference current 427a, and reference bias voltage level 425b provides a reference current 427b. The reference current 427 a flows from the bit line 207 of the reference cell subarray 200 through the column of the selected reference cell 205. The magnitudes of the reference currents 427a and 427b are determined by the resistance of the MTJ element 90 in the column of the selected reference cells 205.

リファレンスセルサブアレイ200では、ビット線207aのリファレンスセル205のMTJ素子90が、例えばフリー層91の磁化J91がピンド層93の磁化J93と反対の向きとなるようにプログラムされて高抵抗状態となっており、ビット線208aのリファレンスセル205のMTJ素子90が、フリー層91の磁化J91がピンド層93の磁化J93と同じ向きとなるようにプログラムされて低抵抗状態となっているとする。この場合、ビット線207aと接続されたリファレンスセル205を流れる電流IMTJHは、ビット線208aと接続されたリファレンスセル205を流れる電流IMTJLよりも低い値となる。しかし、連結部270の存在により、リファレンス電流427a,427bは、それぞれ、基本的に、電流IMTJHと電流IMTJLとの平均値となる。   In the reference cell subarray 200, the MTJ element 90 of the reference cell 205 of the bit line 207a is programmed to have a high resistance state, for example, so that the magnetization J91 of the free layer 91 is opposite to the magnetization J93 of the pinned layer 93. It is assumed that the MTJ element 90 of the reference cell 205 of the bit line 208a is programmed so that the magnetization J91 of the free layer 91 is in the same direction as the magnetization J93 of the pinned layer 93 and is in a low resistance state. In this case, the current IMTJH flowing through the reference cell 205 connected to the bit line 207a is lower than the current IMTJL flowing through the reference cell 205 connected to the bit line 208a. However, due to the presence of the connecting portion 270, the reference currents 427a and 427b are basically average values of the current IMTJH and the current IMTJL, respectively.

リファレンス電流427a,427bは、センスアンプ400a,400bへのリファレンス入力電流として振る舞う。センス電流422a,422bは、それぞれ、センスアンプ400a,400bに適用される。センスアンプ400a,400bは、差動増幅器であり、センス電流422a,422bとリファレンス電流427a,427bとの比較を行い、出力415a,415bにおいてデータセルサブアレイ100のディジタルデータ状態を決定する。   The reference currents 427a and 427b behave as reference input currents to the sense amplifiers 400a and 400b. The sense currents 422a and 422b are applied to the sense amplifiers 400a and 400b, respectively. The sense amplifiers 400a and 400b are differential amplifiers, compare the sense currents 422a and 422b with the reference currents 427a and 427b, and determine the digital data state of the data cell subarray 100 at the outputs 415a and 415b.

読出書込線130a,130bは、外部接続ゲートトランジスタ409a,409bによって外部回路から切り離されており、読出書込線230a,230bは、外部接続ゲートトランジスタ409c,409dによって外部回路から切り離されている。外部接続ゲートトランジスタ409a〜409dの機能については後述する。   Read / write lines 130a and 130b are separated from the external circuit by external connection gate transistors 409a and 409b, and read / write lines 230a and 230b are separated from the external circuit by external connection gate transistors 409c and 409d. The functions of the external connection gate transistors 409a to 409d will be described later.

図7は、図1に示したMRAMアレイ1のうちの所望のデータセル105からの読出動作を説明する流れ図である。まず、アドレスを複合化する(ステップS700)。次に、読出対象とするデータセルサブアレイ100が上部アレイブロック300または下部アレイブロック305のいずれにあるかを選択する(ステップS702)。上部アレイブロック300を選択した場合には、上部読出書込線群315のうちの読出書込線130をアクティブとし(ステップS704)、センスアンプ群330と接続する。一方で、下部読出書込線群320のうちの、対応するリファレンスセルサブアレイ200と接続された読出書込線230をアクティブとし(ステップS706)、センスアンプ330と接続する。次いで、選択されたデータセル105に対応した読出ワード線165を、そのデータセル105のトランジスタ95をオンとするためにアクティブ状態とする(ステップS708)。同時に、選択されたデータセル105に対応したリファレンスセル205の読出ワード線265を、そのリファレンスセル205のトランジスタ95をオンとするためにアクティブ状態とする(ステップS710)。   FIG. 7 is a flowchart illustrating a read operation from a desired data cell 105 in the MRAM array 1 shown in FIG. First, the addresses are combined (step S700). Next, it is selected whether the data cell sub-array 100 to be read is in the upper array block 300 or the lower array block 305 (step S702). When the upper array block 300 is selected, the read write line 130 in the upper read write line group 315 is activated (step S704) and connected to the sense amplifier group 330. On the other hand, in the lower read / write line group 320, the read / write line 230 connected to the corresponding reference cell sub-array 200 is activated (step S706) and connected to the sense amplifier 330. Next, the read word line 165 corresponding to the selected data cell 105 is activated to turn on the transistor 95 of the data cell 105 (step S708). At the same time, the read word line 265 of the reference cell 205 corresponding to the selected data cell 105 is activated to turn on the transistor 95 of the reference cell 205 (step S710).

選択されたデータセル105におけるMTJ素子90にバイアスを付与するために、読出書込線130に対してバイアス電圧が設定される(ステップS712)。同様に、選択されたデータセル105に対応するリファレンスセル205におけるMTJ素子90にバイアスを付与するために、読出書込線230に対してバイアス電圧が設定される(ステップS714)。こののち、センスアンプ330によって、選択されたデータセル105を流れるセル電流と、これと対応するリファレンスセル205を流れるセル電流との差分を検出する(ステップS728)。センスアンプ330から、選択されたデータセル105のディジタルデータ状態を表す電圧を出力する(ステップS730)。   In order to apply a bias to the MTJ element 90 in the selected data cell 105, a bias voltage is set for the read / write line 130 (step S712). Similarly, in order to apply a bias to the MTJ element 90 in the reference cell 205 corresponding to the selected data cell 105, a bias voltage is set for the read / write line 230 (step S714). Thereafter, the sense amplifier 330 detects a difference between the cell current flowing through the selected data cell 105 and the cell current flowing through the corresponding reference cell 205 (step S728). A voltage representing the digital data state of the selected data cell 105 is output from the sense amplifier 330 (step S730).

下部アレイブロック305を選択した場合には、下部読出書込線群320のうちの読出書込線130をアクティブとし(ステップS716)、センスアンプ群330と接続する。一方で、上部読出書込線群315のうちの、対応するリファレンスセルサブアレイ200と接続された読出書込線230をアクティブとし(ステップS718)、センスアンプ330と接続する。次いで、選択されたデータセル105に対応した読出ワード線165を、そのデータセル105のトランジスタ95をオンとするためにアクティブ状態とする(ステップS720)。同時に、選択されたデータセル105に対応したリファレンスセル205の読出ワード線265を、そのリファレンスセル205のトランジスタ95をオンとするためにアクティブ状態とする(ステップS722)。   When the lower array block 305 is selected, the read / write line 130 in the lower read / write line group 320 is activated (step S716) and connected to the sense amplifier group 330. On the other hand, in the upper read / write line group 315, the read / write line 230 connected to the corresponding reference cell sub-array 200 is activated (step S718) and connected to the sense amplifier 330. Next, the read word line 165 corresponding to the selected data cell 105 is activated to turn on the transistor 95 of the data cell 105 (step S720). At the same time, the read word line 265 of the reference cell 205 corresponding to the selected data cell 105 is activated to turn on the transistor 95 of the reference cell 205 (step S722).

選択されたデータセル105におけるMTJ素子90にバイアスを付与するために、読出書込線130に対してバイアス電圧が設定される(ステップS724)。同様に、選択されたデータセル105に対応するリファレンスセル205におけるMTJ素子90にバイアスを付与するために、読出書込線230に対してバイアス電圧が設定される(ステップS726)。以下、同様に、センスアンプ330によって、選択されたデータセル105を流れるセル電流と、これと対応するリファレンスセル205を流れるセル電流との差分を検出する(ステップS728)。センスアンプ330から、選択されたデータセル105のディジタルデータ状態を表す電圧を出力する(ステップS730)。   In order to apply a bias to the MTJ element 90 in the selected data cell 105, a bias voltage is set for the read / write line 130 (step S724). Similarly, in order to apply a bias to the MTJ element 90 in the reference cell 205 corresponding to the selected data cell 105, a bias voltage is set for the read / write line 230 (step S726). Thereafter, similarly, the sense amplifier 330 detects the difference between the cell current flowing through the selected data cell 105 and the cell current flowing through the corresponding reference cell 205 (step S728). A voltage representing the digital data state of the selected data cell 105 is output from the sense amplifier 330 (step S730).

次に、リファレンスセルサブアレイ200の製造方法について説明する。リファレンスセルサブアレイ200を製造するにあたっては、まず、行方向および列方向に並ぶように複数のリファレンスセル205を形成したのち、列方向に延在し、かつ、列方向に並んだ複数のリファレンスセル205に含まれるフリー層91とそれぞれ接続するようにビット線207,208を形成する。この際、ビット線207とビット線208とを交互に列方向に並べるように配置する。さらに、ビット線207とビット線208とを繋ぐ連結部207を形成することで、ビット線207に沿って並ぶ第1の列のリファレンスセル205と、ビット線208に沿って並ぶ第2のリファレンスセル205とを並列接続する。最後に、同一の行に位置する第1および第2の列のリファレンスセル205を、互いに異なる磁化状態に設定(プログラム)することで、リファレンスセルサブアレイ200が得られる。   Next, a method for manufacturing the reference cell subarray 200 will be described. In manufacturing the reference cell sub-array 200, first, a plurality of reference cells 205 are formed so as to be aligned in the row direction and the column direction, and then a plurality of reference cells 205 extending in the column direction and aligned in the column direction. Bit lines 207 and 208 are formed so as to be connected to the free layer 91 included in each. At this time, the bit lines 207 and the bit lines 208 are alternately arranged in the column direction. Further, by forming a connecting portion 207 that connects the bit line 207 and the bit line 208, the reference cell 205 in the first column aligned along the bit line 207 and the second reference cell aligned along the bit line 208. 205 is connected in parallel. Finally, the reference cell subarray 200 is obtained by setting (programming) the reference cells 205 of the first and second columns located in the same row to different magnetization states.

異なる磁化状態に設定するとは、例えばビット線207に沿った第1の列のリファレンスセル205を高抵抗状態とすると共にビット線208に沿った第2の列のリファレンスセル205を低抵抗状態とし、または、その反対に設定することをいう。   To set different magnetization states, for example, the first column of reference cells 205 along the bit line 207 is set to the high resistance state and the second column of reference cells 205 along the bit line 208 is set to the low resistance state. Or, the opposite setting.

リファレンスセルサブアレイ200へのプログラムは、検査工程においてなされる。 以下、図8を参照して、リファレンスセル205のプログラミング方法について具体的に説明する)。まず、上部アレイブロック300および下部アレイブロック305の全てのデータセルサブアレイ100に対応したブロック読出書込選択線120を非アクティブとする(ステップS750)。同様に、上部アレイブロック300および下部アレイブロック305の全てのリファレンスセルサブアレイ200に対応したブロック読出書込リファレンス選択線220,222を非アクティブとする(ステップS752)。次に、ブロック選択線250をアクティブとする(ステップS754)と共に選択された書込ワード線209をアクティブとする(ステップS756)。こののち、選択された書込ワード線209に電流源240から書込ワード線電流Irを流す(ステップS758)。さらに、ブロック書込リファレンス選択線225,227をアクティブとしたのち(ステップS760)、ビット線電流源(図示せず)から、対をなすビット線207およびビット線208の一方であるビット線207へ書込ビット線電流Icを流す(ステップS762)。書込ビット線電流Icは、連結部270を経由して他方のビット線208へ流入してビット線208を流れることとなる(ステップS764)。ビット線電流Icおよびワード線電流Irによって生じる合成磁界は、ビット線電流Icおよびワード線電流Irの交差点におけるリファレンスセル205のフリー層91を所定方向に設定するように作用し、書込を行う(ステップS766)。このとき、一方のビット線207を流れる書込ビット線電流Icと、他方のビット線208を流れる書込ビット線電流Icとは相対的に逆向きとなっていることから、必然的に、ビット線207に沿った第1の列のリファレンスセル205、およびビット線208に沿った第2の列のリファレンスセル205のいずれか一方が高抵抗状態となり、他方が低抵抗状態となる。こののち、各リファレンスセル205について、所定の磁化状態にプログラミングされていることを確認する(ステップS768)。具体的には、ビット線207またはビット線208から各リファレンスセル205を経由し、読出ワード線265を通過するセル電流96を各行ごとに測定し、標準電流と等価であるかどうかを判断する。セル電流96が標準電流と等価でなかった場合(ステップS770)には、再度プログラミングを行う(ステップS772)。セル電流96が標準電流と等価であった場合(ステップS770)には、書込ワード線電流Irおよび書込ビット線電流Icを停止し、センスアンプ330をそれぞれに対応するリファレンスセル205と再接続させることで完了する。   The reference cell subarray 200 is programmed in the inspection process. Hereinafter, a method for programming the reference cell 205 will be described in detail with reference to FIG. First, the block read / write selection lines 120 corresponding to all the data cell subarrays 100 in the upper array block 300 and the lower array block 305 are deactivated (step S750). Similarly, the block read / write reference selection lines 220 and 222 corresponding to all the reference cell subarrays 200 in the upper array block 300 and the lower array block 305 are deactivated (step S752). Next, the block selection line 250 is activated (step S754) and the selected write word line 209 is activated (step S756). Thereafter, the write word line current Ir is supplied from the current source 240 to the selected write word line 209 (step S758). Further, after the block write reference selection lines 225 and 227 are activated (step S760), the bit line current source (not shown) transfers to the bit line 207 which is one of the bit line 207 and the bit line 208 which form a pair. Write bit line current Ic is supplied (step S762). The write bit line current Ic flows into the other bit line 208 via the connecting portion 270 and flows through the bit line 208 (step S764). The combined magnetic field generated by the bit line current Ic and the word line current Ir acts so as to set the free layer 91 of the reference cell 205 at a crossing point of the bit line current Ic and the word line current Ir in a predetermined direction to perform writing ( Step S766). At this time, the write bit line current Ic flowing through one bit line 207 and the write bit line current Ic flowing through the other bit line 208 are relatively opposite to each other. One of the reference cells 205 in the first column along the line 207 and the reference cells 205 in the second column along the bit line 208 is in a high resistance state, and the other is in a low resistance state. Thereafter, it is confirmed that each reference cell 205 is programmed to a predetermined magnetization state (step S768). Specifically, the cell current 96 passing through the read word line 265 from the bit line 207 or the bit line 208 via each reference cell 205 is measured for each row to determine whether it is equivalent to the standard current. If the cell current 96 is not equivalent to the standard current (step S770), programming is performed again (step S772). If the cell current 96 is equivalent to the standard current (step S770), the write word line current Ir and the write bit line current Ic are stopped, and the sense amplifier 330 is reconnected to the corresponding reference cell 205. To complete.

このように、本実施の形態のMRAMアレイ1によれば、第1の列のリファレンスセル205と第2のリファレンスセル205とが互いに異なる磁化状態を有し、かつ、連結部270によって並列接続されていることから、ビット線207,208に沿った複数のリファレンスセル205に基づいた安定したリファレンス電流を得ることができ、これに基づいて精度の高い読出動作を行うことができる。   As described above, according to the MRAM array 1 of the present embodiment, the reference cells 205 and the second reference cells 205 in the first column have different magnetization states and are connected in parallel by the connecting portion 270. Therefore, a stable reference current based on the plurality of reference cells 205 along the bit lines 207 and 208 can be obtained, and a highly accurate read operation can be performed based on this.

[第2の実施の形態]
続いて、図9および図10を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る磁気メモリセルアレイの構成について説明する。
[Second Embodiment]
Next, the configuration of the magnetic memory cell array according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図9は、本実施の形態の磁気メモリセルアレイ(以下、MRAMアレイという。)2の全体構成を示した概略図である。MRAMアレイ2は、いわゆる半導体メモリチップとして用いられるものであり、センスアンプ630を挟んで配置された上部アレイブロック3605および下部アレイブロック606を備えている。上部および下部アレイブロック605,606は、それぞれ、一列に並んだ複数のMRAMデータセルサブアレイ(以下、単にデータセルサブアレイという。)600a,600bを有している。各データセルサブアレイ600a,600bは、一対のリファレンス列515を、その中央に備えている。   FIG. 9 is a schematic diagram showing an overall configuration of a magnetic memory cell array (hereinafter referred to as an MRAM array) 2 according to the present embodiment. The MRAM array 2 is used as a so-called semiconductor memory chip, and includes an upper array block 3605 and a lower array block 606 arranged with a sense amplifier 630 interposed therebetween. Each of the upper and lower array blocks 605 and 606 has a plurality of MRAM data cell subarrays (hereinafter simply referred to as data cell subarrays) 600a and 600b arranged in a line. Each data cell sub-array 600a, 600b has a pair of reference columns 515 in the center.

さらに、上部書込線群610および上部読出書込線群615が、上部アレイブロック605を挟むように設けられており、上部アレイブロック605における各データセルサブアレイ600aと接続されている。同様に、下部書込線群625および下部読出書込線群620が、下部アレイブロック606を挟むように設けられており、下部アレイブロック306における各データセルサブアレイ600bと接続されている。   Further, an upper write line group 610 and an upper read write line group 615 are provided so as to sandwich the upper array block 605, and are connected to each data cell sub-array 600a in the upper array block 605. Similarly, a lower write line group 625 and a lower read write line group 620 are provided so as to sandwich the lower array block 606, and are connected to each data cell sub-array 600b in the lower array block 306.

上部読出書込線群615および下部読出書込線群620の他端は、センスアンプ630と接続されている。センスアンプ630は、選択されたデータセルサブアレイ600a,600bにおける選択されたデータセル500(後出)のディジタルデータを検出するものである。リファレンス列515は、リファレンス電流を発生させ、センスアンプ630に入力するように機能する。リファレンス電流は、読出動作の際、選択されたデータセル105のディジタルデータ状態を決定するために用いられるものである。センスアンプ630によって再生されるディジタルデータは、データドライバ660へ移され、外部回路へ出力データ665として出力される。なお、ディジタルデータは、シングルビットでもよいし、8ビット,16ビットまたは32ビットのデータ幅を有するようにしてもよい。   The other ends of upper read write line group 615 and lower read write line group 620 are connected to sense amplifier 630. The sense amplifier 630 detects digital data of the selected data cell 500 (described later) in the selected data cell subarrays 600a and 600b. The reference string 515 functions to generate a reference current and input it to the sense amplifier 630. The reference current is used to determine the digital data state of the selected data cell 105 during the read operation. The digital data reproduced by the sense amplifier 630 is transferred to the data driver 660 and output as output data 665 to an external circuit. The digital data may be a single bit, or may have a data width of 8 bits, 16 bits, or 32 bits.

MRAMアレイ2は、さらに、アドレスバス635、ワード線デコーダ650、コラムデコーダセクション675a〜675dおよびコントロールデコーダ655などを備えている。   The MRAM array 2 further includes an address bus 635, a word line decoder 650, column decoder sections 675a to 675d, a control decoder 655, and the like.

アドレスバス635は、ディジタルアドレスワード(アドレスデータ)を供給するものであり、ワード線デコーダ650およびコラムデコーダセクション675a〜675dと接続されている。ワード線デコーダ650は、所望のディジタルデータを含むデータセル500の場所を選択するためにディジタルアドレスワードを複合化(デコード)する。   The address bus 635 supplies a digital address word (address data), and is connected to the word line decoder 650 and the column decoder sections 675a to 675d. The word line decoder 650 decodes the digital address word to select the location of the data cell 500 that contains the desired digital data.

コントロールデコーダ655は、読出書込制御線645およびクロック線640から、ディジタルタイミング信号およびディジタル制御信号を受け取り、ワード線デコーダ650、コラムデコーダセクション675a〜675d、ならびに上部および下部アレイブロック605,606に対し、必要なタイミング信号および制御信号を供給する。コントロールデコーダ655により、所望のデータセル500からディジタルデータを読み出す際、あるいは所望のデータセルサブアレイ600a,600bへの書き込みを行う際、選択されたデータセルサブアレイ600a,600bおよびそれに対応したリファレンス列515をアクティブ状態とする信号が形成される。   Control decoder 655 receives digital timing signals and digital control signals from read / write control line 645 and clock line 640 and provides to word line decoder 650, column decoder sections 675a-675d, and upper and lower array blocks 605,606. Provide the necessary timing and control signals. When digital data is read from the desired data cell 500 or written to the desired data cell subarrays 600a and 600b by the control decoder 655, the selected data cell subarrays 600a and 600b and the corresponding reference column 515 are stored. A signal to activate is formed.

次に、図10を参照して、データセルサブアレイ600の構成について説明する。図10は、MRAMアレイ2におけるデータセルサブアレイ600およびその周辺の平面構成を示した概略図である。   Next, the configuration of the data cell sub-array 600 will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a schematic diagram showing a planar configuration of the data cell sub-array 600 and its periphery in the MRAM array 2.

データセルサブアレイ600は、列および行をなすように配置されて組織化された複数のMRAMデータセル(以下、単にデータセルという。)500を備えている。各データセル500の構造は、図3に、データセル105と同一である。但し、各データセル500は、互いに接することなく直交するビット線507(または508)および書込ワード線509の間にMTJ素子90を有している。トランジスタ95のゲートは、読出ワード線565と接続されている。   Data cell sub-array 600 includes a plurality of MRAM data cells (hereinafter simply referred to as data cells) 500 arranged and organized in columns and rows. The structure of each data cell 500 is the same as the data cell 105 in FIG. However, each data cell 500 has the MTJ element 90 between the bit line 507 (or 508) and the write word line 509 which are orthogonal to each other without being in contact with each other. The gate of transistor 95 is connected to read word line 565.

データセルサブアレイ600には、列方向に並んだデータセル500に沿って延在し、かつ、行方向に並ぶようにビット線507(507a,507b,・・・,507n-1,507n)およびビット線508(508a,508b,・・・,508n-1,508n)が設けられている。ビット線507,508は、それぞれデータセル500のフリー層91と接続されている。ビット線507に対応するデータセル500の列と、ビット線508に対応するデータセル500の列とが対をなしており、対になったビット線507およびビット線508は、連結部580によってそれぞれ互いに結合されている。すなわち、ビット線507に沿って並ぶ第1の列のデータセル500は、ビット線508に沿って並ぶ第2のデータセル500と並列接続されている。ここで、同じ行に位置する一対のデータセル500のうち、一方は高い抵抗値を示す状態に対応した磁化方向を有するようにプログラムされ、他方は低い抵抗値を示す状態に対応した磁化方向を有するようにプログラムされる。なお、データセル500は、高抵抗状態または低抵抗状態のいずれかとなるように選択的にプログラムされる。 The data cell sub-array 600 extends along the data cells 500 arranged in the column direction, and, as arranged in the row direction bit lines 507 (507 a, 507 b, ···, 507 n-1, 507 n ) and bit lines 508 (508 a , 508 b ,..., 508 n−1 , 508 n ). Bit lines 507 and 508 are connected to the free layer 91 of the data cell 500, respectively. The column of the data cells 500 corresponding to the bit line 507 and the column of the data cells 500 corresponding to the bit line 508 make a pair, and the bit line 507 and the bit line 508 that are paired are connected by the connecting unit 580, respectively. Are connected to each other. In other words, the data cells 500 in the first column aligned along the bit line 507 are connected in parallel to the second data cells 500 aligned along the bit line 508. Here, one of the pair of data cells 500 located in the same row is programmed to have a magnetization direction corresponding to a state showing a high resistance value, and the other has a magnetization direction corresponding to a state showing a low resistance value. Programmed to have. Note that the data cell 500 is selectively programmed to be in either a high resistance state or a low resistance state.

データセルサブアレイ600には、さらに、行方向に並んだデータセル500に沿って延在し、かつ、列方向に並ぶように書込ワード線509(509a,509b,・・・,509n-1,509n)が設けられている。各書込ワード線509は、それぞれデータセル500と近接して配置されている。 The data cell sub-array 600 further includes write word lines 509 (509 a , 509 b ,..., 509 n extending along the data cells 500 arranged in the row direction and arranged in the column direction. -1, 509 n) is provided. Each write word line 509 is arranged close to the data cell 500.

ビット線507,508の各々の一端は、ブロック読出書込選択トランジスタ520,521の各ソースとぞれぞれ接続されており、他端は、ブロック書込選択トランジスタ535,536の各ドレインとぞれぞれ接続されている。ブロック読出書込選択トランジスタ520,521の各ドレインは、読出書込線530とそれぞれ接続されており、ブロック書込選択トランジスタ535,536の各ソースは書込線545とそれぞれ接続されている。読出書込線530は、図9に示した上部読出書込線群615および下部読出書込線群620に含まれるものであり、書込線545は、図9に示した上部書込線群610および下部書込線群625に含まれるものである。   One end of each of the bit lines 507 and 508 is connected to the respective sources of the block read / write selection transistors 520 and 521, and the other end is connected to the respective drains of the block write selection transistors 535 and 536. Each is connected. The drains of the block read / write selection transistors 520 and 521 are connected to the read / write line 530, and the sources of the block write selection transistors 535 and 536 are connected to the write line 545, respectively. Read write line 530 is included in upper read write line group 615 and lower read write line group 620 shown in FIG. 9, and write line 545 includes upper write line group shown in FIG. 610 and lower write line group 625 are included.

リファレンス列515以外のデータ列510におけるブロック読出書込選択トランジスタ521のゲートは、ブロック読出書込選択線522と接続されており、リファレンス列515におけるブロック読出書込選択トランジスタ521のゲートは、ブロック読出書込リファレンス選択線524aと接続されている。ブロック読出書込選択トランジスタ521の各ドレインは、ビット線508とそれぞれ接続されている。   The gate of the block read / write select transistor 521 in the data column 510 other than the reference column 515 is connected to the block read / write select line 522, and the gate of the block read / write select transistor 521 in the reference column 515 is connected to the block read. It is connected to the write reference selection line 524a. Each drain of the block read / write select transistor 521 is connected to the bit line 508.

リファレンス列515以外のデータ列510におけるブロック読出書込選択トランジスタ520のゲートは、ブロック読出書込選択線523と接続されており、リファレンス列515におけるブロック読出書込選択トランジスタ520のゲートは、ブロック読出書込リファレンス選択線524bと接続されている。ブロック読出書込選択トランジスタ520の各ドレインは、ビット線507とそれぞれ接続されている。   The gate of block read / write select transistor 520 in data column 510 other than reference column 515 is connected to block read / write select line 523, and the gate of block read / write select transistor 520 in reference column 515 is connected to block read. It is connected to the write reference selection line 524b. Each drain of the block read / write select transistor 520 is connected to the bit line 507.

また、リファレンス列515以外のデータ列510におけるブロック書込選択トランジスタ535のゲートには、ブロック書込選択線537が接続されており、リファレンス列515におけるブロック書込選択トランジスタ535のゲートには、ブロック書込リファレンス選択線539aが接続されている。ブロック書込選択トランジスタ535の各ソースは、ビット線507と接続されている。   The block write selection line 537 is connected to the gate of the block write selection transistor 535 in the data column 510 other than the reference column 515, and the block write selection transistor 535 in the reference column 515 has a gate connected to the block. A write reference selection line 539a is connected. Each source of the block write selection transistor 535 is connected to the bit line 507.

さらに、リファレンス列515以外のデータ列510におけるブロック書込選択トランジスタ536のゲートには、ブロック書込選択線538が接続されており、リファレンス列515におけるブロック書込選択トランジスタ536のゲートには、ブロック書込リファレンス選択線539bが接続されている。ブロック書込選択トランジスタ536の各ソースは、ビット線508と接続されている。   Further, the block write selection line 538 is connected to the gate of the block write selection transistor 536 in the data column 510 other than the reference column 515, and the block write selection transistor 536 in the reference column 515 has a gate connected to the block. A write reference selection line 539b is connected. Each source of the block write selection transistor 536 is connected to the bit line 508.

各書込ワード線509の一端は、全て、ブロック選択トランジスタ550のソースと接続されている。各書込ワード線509の他端は、それぞれ、書込用の行選択トランジスタ560(560a,560b,・・・,560m-1,560m)のドレインと接続されている。ブロック選択トランジスタ550のドレインは、行方向電流の電流源555と接続されており、ブロック選択トランジスタ550のゲートは、ブロック選択線575と接続されている。行選択トランジスタ560の各ソースは、接地されており、行選択トランジスタ560の各ゲートは、行選択書込線565(565a,565b,・・・,565m-1,565m)とそれぞれ接続されている。ブロック選択線575は、ブロック選択トランジスタ550がアクティブな状態または非アクティブな状態となるように制御し、選択された行のデータセル500に電流源555から書込線509へ向かう書込ワード線電流Irが流れるようにするものである。行選択書込線565は、行選択トランジスタ560のアクティブおよび非アクティブを制御し、電流源555からの書込ワード線電流Irが所望の書込線509を通過するようにするものである。 One end of each write word line 509 is all connected to the source of the block selection transistor 550. The other end of each write word line 509 is connected to the drain of a write row selection transistor 560 (560 a , 560 b ,..., 560 m−1 , 560 m ). The drain of the block selection transistor 550 is connected to the current source 555 of the row direction current, and the gate of the block selection transistor 550 is connected to the block selection line 575. Each source of the row selection transistor 560 is grounded, and each gate of the row selection transistor 560 is connected to a row selection write line 565 (565 a , 565 b ,..., 565 m−1 , 565 m ), respectively. It is connected. The block selection line 575 controls the block selection transistor 550 to be in an active state or an inactive state, and the write word line current flowing from the current source 555 to the write line 509 in the data cell 500 of the selected row. Ir is allowed to flow. Row select write line 565 controls the active and inactive states of row select transistor 560 so that write word line current Ir from current source 555 passes through desired write line 509.

データセルサブアレイ600には、データセル500の各行に沿って、読出ワード線570(570a,570b,・・・,570m-1,570m)が設けられている。この読出ワード線570は、各データセル500のアイソレーショントランジスタ95のゲートに接続されている。読出ワード線570は、アイソレーショントランジスタ95のアクティブおよび非アクティブを制御する。読出動作の際にはアクティブな状態となり、セル電流(図示せず)がビット線507,508から、選択されたデータセル500のMTJ素子90へ流れるように導かれることとなる。データセルサブアレイ600を用いた読出動作および書込動作については後述する。 The data cell sub-array 600 is provided with read word lines 570 (570 a , 570 b ,..., 570 m−1 , 570 m ) along each row of the data cells 500. This read word line 570 is connected to the gate of the isolation transistor 95 of each data cell 500. Read word line 570 controls the active and inactive states of isolation transistor 95. In the read operation, the active state is entered, and a cell current (not shown) is guided to flow from the bit lines 507 and 508 to the MTJ element 90 of the selected data cell 500. Read and write operations using data cell subarray 600 will be described later.

図11は、上部アレイブロック605からディジタルデータを読み出す際の制御およびデータフローについて例示したものである。ディジタルデータを読み出すにあたり、上部アレイブロック605における任意のデータセルサブアレイ600aが選択される。上部アレイブロック605の中から所定のデータセルサブアレイ600aが選ばれると、下部アレイブロック606におけるデータセルサブアレイ600bに含まれる一対のリファレンス列515が自動的に付随することとなる。コラムデコーダセクション675b,675c(図9)は、被選択データセルサブアレイ600aにおける一対のデータ列510を特定するために、入力されるディジタルアドレスワードをデコードする。そののち、コラムデコーダセクション675cは、被選択データセルサブアレイ600aに対応する上部読出書込線615a,615bをアクティブ状態とし、被選択データセルサブアレイ600aにおけるデータ列510が上部読出書込線615a,615bと接続するように、ブロック読出書込選択線522,523によってブロック読出書込選択トランジスタ520,521を駆動させる。   FIG. 11 illustrates the control and data flow when reading digital data from the upper array block 605. In reading the digital data, an arbitrary data cell sub-array 600a in the upper array block 605 is selected. When a predetermined data cell sub-array 600a is selected from the upper array block 605, a pair of reference columns 515 included in the data cell sub-array 600b in the lower array block 606 are automatically attached. Column decoder sections 675b and 675c (FIG. 9) decode input digital address words to identify a pair of data columns 510 in selected data cell sub-array 600a. After that, the column decoder section 675c activates the upper read write lines 615a and 615b corresponding to the selected data cell subarray 600a, and the data column 510 in the selected data cell subarray 600a becomes the upper read write lines 615a and 615b. The block read / write select transistors 520 and 521 are driven by the block read / write select lines 522 and 523 so as to be connected to each other.

ここで、ワード線デコーダ650は、読出対象とする被選択データセルサブアレイ600aの行を決定するために、入力されるディジタルアドレスワードをデコードする。ワード線デコーダ650は、所望の行からの読出を行うために読出ワード線570をそれぞれアクティブ状態とする。読出ワード線570は、選択された行に含まれる各データセル500のトランジスタ95を駆動させ、その結果、上部読出書込線615a,615bから被選択データセル500におけるMTJ素子90へ電流が通過するようにする。   Here, word line decoder 650 decodes the input digital address word in order to determine the row of selected data cell sub-array 600a to be read. Word line decoder 650 activates read word lines 570 in an active state in order to perform reading from a desired row. Read word line 570 drives transistor 95 of each data cell 500 included in the selected row. As a result, current passes from upper read write lines 615a and 615b to MTJ element 90 in selected data cell 500. Like that.

コラムデコーダ675dは、ブロック書込選択線537,538を非アクティブ状態とし、上部書込線610a,610bを、被選択データセルサブアレイ600aのビット線507,508から遮断するようにする。   Column decoder 675d inactivates block write selection lines 537 and 538, and blocks upper write lines 610a and 610b from bit lines 507 and 508 of selected data cell sub-array 600a.

ワード線デコーダ650およびコラムデコーダセクション675cがデータセルサブアレイ600aを選択すると、コラムデコーダセクション675bは、下部アレイブロック606におけるデータセルサブアレイ600bのなかから対応する一対のリファレンス列515を選択する。ブロック読出書込リファレンス選択線524a,524bがアクティブ状態となることで、ブロック読出書込選択トランジスタ520,521がオンの状態となる。これにより、リファレンス列515のビット線507,508が下部読出書込線620a,620bと接続されることとなる。ワード線デコーダ650は、選択された読出ワード線570をアクティブ状態とし、データセルサブアレイ600bのうちの選択された列のデータセル205のアイソレーショントランジスタをオンとする。   When word line decoder 650 and column decoder section 675c select data cell subarray 600a, column decoder section 675b selects a pair of corresponding reference columns 515 from data cell subarray 600b in lower array block 606. When the block read / write reference selection lines 524a and 524b are activated, the block read / write select transistors 520 and 521 are turned on. As a result, the bit lines 507 and 508 of the reference column 515 are connected to the lower read / write lines 620a and 620b. Word line decoder 650 activates selected read word line 570, and turns on the isolation transistor of data cell 205 in the selected column of data cell subarray 600b.

データセルサブアレイ600aにおける選択されたデータ列510は、これと対応するデータセルサブアレイ600bにおけるリファレンス列515と、上部読出書込線615a,615bおよび下部読出書込線620a,620bを介してセンスアンプ630a,630bと接続されている。   A selected data column 510 in data cell subarray 600a is connected to a reference column 515 in data cell subarray 600b corresponding thereto, sense amplifier 630a via upper read / write lines 615a and 615b and lower read / write lines 620a and 620b. , 630b.

ここで、内在するバイアス電圧654が、センスアンプ630のゲートトランジスタ631a,631b,633a,633bを駆動させ、それらゲートトランジスタ631a,631b,633a,633bのノード電圧をデータセルサブアレイ600a,600bにおけるデータセル500のMTJ素子の伝導性に必要なバイアス電圧レベルにおいて維持するようになっている。上部読出書込線615a,615bは、データセル500のMTJ素子にバイアスを付与するために、400mVのバイアス電圧レベルにそれぞれ設定されている。バイアス電圧654は、データセルサブアレイ600aにおける選択されたデータ列510のビット線507,508から、選択された行のデータセル500へ流れるセンス電流をもたらす。被選択データセル500におけるMTJ素子90の抵抗によって、センス電流の大きさが決定される。   Here, the inherent bias voltage 654 drives the gate transistors 631a, 631b, 633a, and 633b of the sense amplifier 630, and the node voltages of these gate transistors 631a, 631b, 633a, and 633b are used as data cells in the data cell subarrays 600a and 600b. The bias voltage level required for the conductivity of the 500 MTJ elements is maintained. Upper read / write lines 615a and 615b are each set to a bias voltage level of 400 mV in order to apply a bias to the MTJ element of data cell 500. The bias voltage 654 provides a sense current that flows from the bit lines 507, 508 of the selected data column 510 in the data cell subarray 600a to the data cells 500 in the selected row. The magnitude of the sense current is determined by the resistance of the MTJ element 90 in the selected data cell 500.

下部読出書込線620a,620bは、それぞれのリファレンスバイアス電圧レベルに設定されている。リファレンスバイアス電圧レベルはリファレンス電流をもたらす。リファレンス電流は、データセルサブアレイ600bの列方向に延びるビット線507,508から、選択されたデータセル500を流れる。被選択データセル500におけるMTJ素子90の抵抗によって、リファレンス電流の大きさが決定される。   Lower read / write lines 620a and 620b are set to the respective reference bias voltage levels. The reference bias voltage level provides a reference current. The reference current flows through the selected data cell 500 from the bit lines 507 and 508 extending in the column direction of the data cell sub-array 600b. The magnitude of the reference current is determined by the resistance of the MTJ element 90 in the selected data cell 500.

データセルサブアレイ600bでは、ビット線507j(図10)のデータセル500のMTJ素子90が、例えばフリー層91の磁化J91がピンド層93の磁化J93と反対の向きとなるようにプログラムされて高抵抗状態となっており、ビット線508j(図10)のデータセル500のMTJ素子90が、フリー層91の磁化J91がピンド層93の磁化J93と同じ向きとなるようにプログラムされて低抵抗状態となっているとする。この場合、ビット線507jと接続されたデータセル500を流れる電流は、ビット線508jと接続されたデータセル508jを流れる電流よりも低い値となる。しかし、連結部580の存在により、それらの平均値のリファレンス電流が得られる。   In the data cell sub-array 600b, the MTJ element 90 of the data cell 500 of the bit line 507j (FIG. 10) is programmed so that, for example, the magnetization J91 of the free layer 91 is opposite to the magnetization J93 of the pinned layer 93. The MTJ element 90 of the data cell 500 of the bit line 508j (FIG. 10) is programmed so that the magnetization J91 of the free layer 91 is in the same direction as the magnetization J93 of the pinned layer 93, and the low resistance state is established. Suppose that In this case, the current flowing through the data cell 500 connected to the bit line 507j is lower than the current flowing through the data cell 508j connected to the bit line 508j. However, due to the presence of the connecting portion 580, a reference current having an average value thereof can be obtained.

このようにして得られるリファレンス電流は、センスアンプ630a,630bへのリファレンス入力電流として振る舞う。センス電流は、それぞれ、センスアンプ630a,630bに適用される。センスアンプ630a,630bは、差動増幅器であり、センス電流とリファレンス電流との比較を行い、出力635a,635bにおいてMRAMセル群のディジタルデータ状態を決定するものである。   The reference current thus obtained behaves as a reference input current to the sense amplifiers 630a and 630b. The sense current is applied to the sense amplifiers 630a and 630b, respectively. The sense amplifiers 630a and 630b are differential amplifiers that compare the sense current with the reference current and determine the digital data state of the MRAM cell group at the outputs 635a and 635b.

上部読出書込線615a,615bは、読出書込ゲートトランジスタ645a,645bによって外部回路から切り離されており、下部読出書込線620a,620bは、読出書込ゲートトランジスタ635a,635bによって外部回路から切り離されている。   Upper read / write lines 615a and 615b are separated from the external circuit by read / write gate transistors 645a and 645b, and lower read / write lines 620a and 620b are separated from the external circuit by read / write gate transistors 635a and 635b. It is.

次に、データセルサブアレイ600の製造方法について説明する。データセルサブアレイ600を製造するにあたっては、まず、行方向および列方向に並ぶように複数のデータセル500を形成したのち、列方向に延在し、かつ、列方向に並んだ複数のデータセル50に含まれるフリー層91とそれぞれ接続するようにビット線507,508を形成する。この際、ビット線507とビット線508とを交互に列方向に並べるように配置する。
さらに、複数のビット線507,508のうちの1組のビット線507j,508jを相互に繋ぐ連結部580を設けてビット線対を形成し、ビット線207に沿って並ぶ第1の列のデータセル500と、ビット線208に沿って並ぶ第2のリファレンスセル500とを並列接続する。最後に、同一の行に位置する第1および第2の列のデータセル500を、互いに異なる磁化状態に設定(プログラム)することで、データセルサブアレイ600が得られる。
Next, a method for manufacturing the data cell subarray 600 will be described. In manufacturing the data cell sub-array 600, first, a plurality of data cells 500 are formed so as to be aligned in the row direction and the column direction, and then the plurality of data cells 50 extending in the column direction and aligned in the column direction are formed. Bit lines 507 and 508 are formed so as to be connected to the free layer 91 included in each. At this time, the bit lines 507 and the bit lines 508 are alternately arranged in the column direction.
Further, a connecting portion 580 that connects a pair of bit lines 507j and 508j of the plurality of bit lines 507 and 508 to each other is provided to form a bit line pair, and data in the first column lined up along the bit line 207 The cell 500 and the second reference cell 500 arranged along the bit line 208 are connected in parallel. Finally, the data cell sub-array 600 is obtained by setting (programming) the data cells 500 in the first and second columns located in the same row to different magnetization states.

以上説明したように、本実施の形態のMRAMアレイ2によれば、第1の列のデータセル500と第2の列のデータセル500とが互いに異なる磁化状態を有し、かつ、1組のビット線507j,508jが連結部580によって並列接続されてリファレンス列(ビット線対)を構成していることから、ビット線507j,508jに沿った複数のデータセル500に基づいた安定したリファレンス電流を得ることができ、これに基づいて精度の高い読出動作を行うことができる。   As described above, according to the MRAM array 2 of the present embodiment, the data cells 500 in the first column and the data cells 500 in the second column have different magnetization states, and one set of data cells Since the bit lines 507j and 508j are connected in parallel by the connecting portion 580 to form a reference column (bit line pair), a stable reference current based on the plurality of data cells 500 along the bit lines 507j and 508j can be obtained. Based on this, a highly accurate read operation can be performed.

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。すなわち当技術分野を熟知した当業者であれば理解できるように、上記実施の形態は本発明の一具体例であり、本発明は、上記の内容に限定されるものではない。製造方法、構造および寸法などの修正および変更は、本発明と一致する限り、好ましい具体例に対応して行われる。   While the present invention has been described with reference to the embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. That is, as can be understood by those skilled in the art, the above embodiment is a specific example of the present invention, and the present invention is not limited to the above content. Modifications and changes in manufacturing method, structure, dimensions, etc., are made corresponding to the preferred embodiments as long as they are consistent with the invention.

例えば、第1の実施の形態では、リファレンスセルサブアレイ200のプログラミングを、書込ワード線電流および書込ビット線電流によって生ずる合成磁界を利用して行うようにしたが、これに限定されるものではない。具体的には、図12に示したように、磁場発生装置810によって発生させた磁場815を利用するようにしてもよい。磁場発生装置810は、フリー層の磁化が所望の向きとなるようにリファレンスセルサブアレイ200からの距離が正しく調整された位置に置かれている。磁場815は、指向性を有しており、磁場発生装置810によってその強度が制御されるものである。なお、磁場発生装置810は、外部磁場を提供するためのひとつの実施例に過ぎない。外部磁場は、様々な方法で提供され得るものである。   For example, in the first embodiment, programming of the reference cell sub-array 200 is performed using the combined magnetic field generated by the write word line current and the write bit line current. However, the present invention is not limited to this. Absent. Specifically, as shown in FIG. 12, a magnetic field 815 generated by a magnetic field generator 810 may be used. The magnetic field generator 810 is placed at a position where the distance from the reference cell subarray 200 is correctly adjusted so that the magnetization of the free layer has a desired orientation. The magnetic field 815 has directivity, and its strength is controlled by the magnetic field generator 810. The magnetic field generator 810 is only one example for providing an external magnetic field. The external magnetic field can be provided in various ways.

また、第1の実施の形態における図8のステップS766以降のプログラミング方法については以下のような変形例も可能である。以下、その変形例について図5および図13を参照して説明する。   Further, the following modification is possible for the programming method after step S766 of FIG. 8 in the first embodiment. Hereinafter, the modification is demonstrated with reference to FIG. 5 and FIG.

最初に、基板上に形成されたMRAMアレイ1を用意(ステップS900)したのち、リファレンスセルサブアレイ200に含まれる任意のリファレンスセル205のプログラミングが行われる(ステップS905)。そののち、外部接続ゲートトランジスタ409a〜409dを非アクティブ状態とすることで、センスアンプ400a,400bを、読出書込線130,230から分離する(ステップS910)。外部接続ゲートトランジスタ409a〜409dは、内部のバイアス電圧412がセンスアンプ400a,400bのゲートトランジスタ405a,405b,407a,407bをオフ状態とすることによって非アクティブ状態となる。次いで、リファレンスセルサブアレイ200におけるビット線207,208を流れる電流を測定するため、読出書込線130,230に対し、外部電流検出デバイス(図示せず)を接続する(ステップS915)。さらに、外部スイッチングバイアス電圧410をアクティブ状態とし、外部接続ゲートトランジスタ409a〜409dを駆動させる。ブロック読出書込リファレンス選択線220,222をアクティブとすることでブロック読出書込選択トランジスタ211,212が駆動され、リファレンスセルサブアレイ200におけるビット線207,208と、読出書込線230とが接続される(ステップS920)。次いで、所定のリファレンスセル205に対応する読出ワード線265を選択し、アクティブとする(ステップS925)。外部スイッチングバイアス電圧410については、読出書込線130,230を、MTJ素子にバイアス電圧を付与するのに十分なレベル(例えば400mV)に設定する。この状態で外部電流検出デバイスによって、選択されたリファレンスセル205を流れるセル電流を測定する(ステップS930)。リファレンスセルサブアレイ200におけるビット線対は連結部270によって繋がれているので、読出書込線230を流れるリファレンス電流は、基本的に、ビット線対の双方を流れる電流の和の平均である。最後に、リファレンスセルサブアレイ200における全ての列についてセル電流の測定が完了したかどうかを決定するために読出ワード線265のアドレスを確認する(ステップS935)。全ての列についてセル電流の測定が完了していない場合には、読出ワード線265が順次選択されるようにアドレスを増加させ、残りのリファレンスセル205の列についてセル電流を測定する(ステップS940)。ステップS935において全ての列について測定がなされたとき、MRAMリファレンスセルサブアレイ200のMRAMセルがプログラムされたかどうかの判断を行うためにそれらの測定値が評価される。全ての列についてセル電流の確認が完了することで、プログラミングを終了する。   First, after preparing the MRAM array 1 formed on the substrate (step S900), programming of an arbitrary reference cell 205 included in the reference cell subarray 200 is performed (step S905). After that, the sense amplifiers 400a and 400b are separated from the read / write lines 130 and 230 by inactivating the external connection gate transistors 409a to 409d (step S910). The externally connected gate transistors 409a to 409d become inactive when the internal bias voltage 412 turns off the gate transistors 405a, 405b, 407a, and 407b of the sense amplifiers 400a and 400b. Next, in order to measure the current flowing through the bit lines 207 and 208 in the reference cell subarray 200, an external current detection device (not shown) is connected to the read / write lines 130 and 230 (step S915). Further, the external switching bias voltage 410 is activated, and the external connection gate transistors 409a to 409d are driven. By making the block read / write reference selection lines 220 and 222 active, the block read / write selection transistors 211 and 212 are driven, and the bit lines 207 and 208 in the reference cell sub-array 200 are connected to the read / write line 230. (Step S920). Next, the read word line 265 corresponding to the predetermined reference cell 205 is selected and activated (step S925). As for external switching bias voltage 410, read / write lines 130 and 230 are set to a level (for example, 400 mV) sufficient to apply a bias voltage to the MTJ element. In this state, the cell current flowing through the selected reference cell 205 is measured by the external current detection device (step S930). Since the bit line pairs in the reference cell sub-array 200 are connected by the connecting portion 270, the reference current flowing through the read / write line 230 is basically the average of the sum of the currents flowing through both of the bit line pairs. Finally, the address of the read word line 265 is checked to determine whether the cell current measurement is completed for all the columns in the reference cell sub-array 200 (step S935). If the cell current measurement is not completed for all the columns, the address is increased so that the read word lines 265 are sequentially selected, and the cell current is measured for the remaining columns of the reference cells 205 (step S940). . When measurements have been made for all columns in step S935, those measurements are evaluated to determine whether the MRAM cells of the MRAM reference cell subarray 200 have been programmed. When the confirmation of the cell current is completed for all the columns, the programming is finished.

本発明の第1の実施の形態としてのMRAMアレイ1の全体構成を表す概略図である。1 is a schematic diagram showing an overall configuration of an MRAM array 1 as a first embodiment of the present invention. 図1に示したデータセルサブアレイ100の平面構成を表す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a planar configuration of the data cell subarray 100 illustrated in FIG. 1. 図1に示したデータセル105の断面構成を表す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a cross-sectional configuration of a data cell 105 illustrated in FIG. 1. 図1に示したリファレンスセルサブアレイ200の平面構成を表す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a planar configuration of a reference cell subarray 200 illustrated in FIG. 1. 図1に示したMRAMアレイ1の要部を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing a main part of the MRAM array 1 shown in FIG. 1. 図1に示したMRAMアレイ1の他の要部を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram showing another main part of the MRAM array 1 shown in FIG. 1. 図1に示したMRAMアレイ1のうちの所望のデータセル105からの読出動作を説明する流れ図である。3 is a flowchart for explaining a read operation from a desired data cell 105 in the MRAM array 1 shown in FIG. リファレンスセル205のプログラミング方法を説明する流れ図である。5 is a flowchart illustrating a method for programming a reference cell 205. 本発明の第2の実施の形態としてのMRAMアレイ2の全体構成を表す概略図である。It is the schematic showing the whole structure of the MRAM array 2 as the 2nd Embodiment of this invention. 図9に示したデータセルサブアレイ600の平面構成を表す概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a planar configuration of the data cell sub-array 600 illustrated in FIG. 9. 図9に示したMRAMアレイ2の要部を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the principal part of the MRAM array 2 shown in FIG. 図4に示したリファレンスセルサブアレイ200への書込を行うための磁場発生装置を説明するための概略図である。FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a magnetic field generator for writing to the reference cell subarray 200 shown in FIG. 4. 図1に示したMRAMアレイ1のプログラミング方法の変形例を説明するための流れ図である。6 is a flowchart for explaining a modification of the programming method of the MRAM array 1 shown in FIG. 1. 従来のMRAMセルの断面構成を表す断面図である。It is sectional drawing showing the cross-sectional structure of the conventional MRAM cell. 図14に示したMRAMセルに対応した回路構成を表す回路図である。FIG. 15 is a circuit diagram illustrating a circuit configuration corresponding to the MRAM cell illustrated in FIG. 14. 図14に示したMRAMセルに対応した他の回路構成を表す回路図である。FIG. 15 is a circuit diagram illustrating another circuit configuration corresponding to the MRAM cell illustrated in FIG. 14.

符号の説明Explanation of symbols

Ic…書込ビット線電流、Ir…書込ワード線電流、1,2…磁気メモリセルアレイ(MRAMアレイ)、90…MTJ素子、91…フリー層、92…トンネルバリア層、93…ピンド層、96…読出セル電流、100…データセルサブアレイ、105…MRAMデータセル、107,207,208,507,508…ビット線、109,209,509…書込ワード線、110,211,212…ブロック読出書込選択トランジスタ、115,215,216…ブロック書込選択トランジスタ、120…ブロック読出書込選択線、125…ブロック書込選択線、130,230…読出書込線、135,235…書込線、140,240,555…電流源、145,245,550…ブロック選択トランジスタ、150,250,575…ブロック選択線、155,255…行選択トランジスタ、160,260…行選択書込線、165,265,570…読出ワード線、205…MRAMリファレンスセル220,222…ブロック読出書込リファレンス選択線、225,227…ブロック書込リファレンス選択線、300,605…上部アレイブロック、305,606…下部アレイブロック、310,610…上部書込線群、315,615…上部読出書込線群、320,620…下部読出書込線群、325,625…下部書込線群、330,630…センスアンプ、335,635…アドレスバス、340,640…クロック線、345,645…読出書込制御線、500…MRAMデータセル、515…リファレンス列。
Ic: Write bit line current, Ir: Write word line current, 1, 2 ... Magnetic memory cell array (MRAM array), 90 ... MTJ element, 91 ... Free layer, 92 ... Tunnel barrier layer, 93 ... Pinned layer, 96 ... Read cell current, 100 ... Data cell subarray, 105 ... MRAM data cell, 107,207,208,507,508 ... Bit line, 109,209,509 ... Write word line, 110, 211,212 ... Block read , Block write select transistor, 120 block read write select line, 125 block write select line, 130, 230 read write line, 135, 235 write line, 140, 240, 555 ... current source, 145, 245, 550 ... block selection transistor, 150, 250, 575 ... Lock selection line, 155, 255 ... row selection transistor, 160, 260 ... row selection write line, 165, 265, 570 ... read word line, 205 ... MRAM reference cells 220, 222 ... block read write reference selection line, 225 , 227... Block write reference selection line, 300, 605. Upper array block, 305, 606. Lower array block, 310, 610... Upper write line group, 315, 615. ... Lower read write line group, 325, 625 ... Lower write line group, 330, 630 ... Sense amplifier, 335, 635 ... Address bus, 340, 640 ... Clock line, 345, 645 ... Read / write control line, 500 ... MRAM data cells, 515 ... reference columns.

Claims (76)

MRAMデータセルサブアレイおよびセンスアンプを複数備えたMRAMアレイに用いられ、前記センスアンプに対してリファレンス電流を供給するMRAMリファレンスセルサブアレイであって、
行方向および列方向に並んだ複数のMRAMリファレンスセルと、
前記列方向に延在し、かつ、前記列方向に並んだ前記複数のMRAMリファレンスセルに含まれるフリー層とそれぞれ接続されると共に隣り合うように配置された第1および第2のビット線からなるビット線対と、
前記ビット線対における第1および第2のビット線を相互に繋ぐ連結部と
を備え、
前記第1のビット線に沿って並ぶ第1の列のMRAMリファレンスセルは、前記第2のビット線に沿って並ぶ第2のMRAMリファレンスセルと並列接続されており、
同一の行に位置する前記第1および第2の列のMRAMリファレンスセルは、互いに異なる磁化状態を有している
ことを特徴とするMRAMリファレンスセルサブアレイ。
An MRAM reference cell subarray that is used in an MRAM array having a plurality of MRAM data cell subarrays and sense amplifiers and supplies a reference current to the sense amplifiers,
A plurality of MRAM reference cells arranged in a row direction and a column direction;
The first and second bit lines that extend in the column direction and are connected to and adjacent to free layers included in the plurality of MRAM reference cells arranged in the column direction. A bit line pair;
A connecting portion connecting the first and second bit lines in the bit line pair to each other;
The MRAM reference cells in the first column aligned along the first bit line are connected in parallel with the second MRAM reference cells aligned along the second bit line,
The MRAM reference cell subarray, wherein the MRAM reference cells of the first and second columns located in the same row have different magnetization states.
前記第1の列のMRAMリファレンスセルは、前記第2の列のMRAMリファレンスセルが低抵抗状態であるときには高抵抗状態となり、前記第2の列のMRAMリファレンスセルが高抵抗状態であるときには低抵抗状態となる
ことを特徴とする請求項1記載のMRAMリファレンスセルサブアレイ。
The MRAM reference cells in the first column are in a high resistance state when the MRAM reference cells in the second column are in a low resistance state, and are low in resistance when the MRAM reference cells in the second column are in a high resistance state. The MRAM reference cell subarray according to claim 1, wherein the MRAM reference cell subarray is in a state.
前記行方向に延在し、かつ、前記行方向に並んだ前記複数のMRAMリファレンスセルと接続された複数の書込ワード線をさらに備えている
ことを特徴とする請求項1記載のMRAMリファレンスセルサブアレイ。
The MRAM reference cell according to claim 1, further comprising a plurality of write word lines extending in the row direction and connected to the plurality of MRAM reference cells arranged in the row direction. Subarray.
前記複数の書込ワード線と接続され、所定のMRAMリファレンスセルへの書込を行う際に前記複数の書込ワード線に対して書込ワード線電流の供給を行う電流源をさらに備えている
ことを特徴とする請求項3記載のMRAMリファレンスセルサブアレイ。
A current source connected to the plurality of write word lines and configured to supply a write word line current to the plurality of write word lines when writing to a predetermined MRAM reference cell; The MRAM reference cell subarray according to claim 3.
前記MRAMリファレンスセルは、
前記書込ワード線に前記書込ワード線電流を導くステップと、
前記センスアンプから前記MRAMリファレンスセルを分離するステップと、
前記フリー層に対する書込電流を、前記第1のビット線に第1の方向へ流したのち、前記連結部を経由させ、前記第2のビット線に前記第1の方向と反対の第2の方向へ流すステップと
を含む方法によりプログラミングされたものである
ことを特徴とする請求項4記載のMRAMリファレンスセルサブアレイ。
The MRAM reference cell is
Directing the write word line current to the write word line;
Separating the MRAM reference cell from the sense amplifier;
A write current for the free layer is caused to flow through the first bit line in a first direction, then through the connecting portion, and a second bit line opposite to the first direction is passed through the second bit line. The MRAM reference cell subarray according to claim 4, wherein the MRAM reference cell subarray is programmed by a method including: flowing in a direction.
前記MRAMリファレンスセルは、
前記書込ワード線電流および書込電流を停止し、前記複数のセンスアンプをそれぞれに対応する前記MRAMリファレンスセルと再接続させることでプログラミングを完了させたものである
ことを特徴とする請求項5記載のMRAMリファレンスセルサブアレイ。
The MRAM reference cell is
6. The programming word line is completed by stopping the write word line current and the write current, and reconnecting the plurality of sense amplifiers to the corresponding MRAM reference cells, respectively. The described MRAM reference cell subarray.
前記MRAMリファレンスセルは、
前記センスアンプから前記MRAMリファレンスセルを分離するステップと、
前記MRAMリファレンスセルにおけるフリー層の磁化が所望の向きとなるような向きを示す磁場を形成するステップと、
前記フリー層に対する書込電流を、前記第1のビット線に第1の方向へ流したのち、前記連結部を経由させ、前記第2のビット線に前記第1の方向と反対の第2の方向へ流すステップと、
前記磁場を取り除くステップと
を含む方法によりプログラミングされたものである
ことを特徴とする請求項1記載のMRAMリファレンスセルサブアレイ。
The MRAM reference cell is
Separating the MRAM reference cell from the sense amplifier;
Forming a magnetic field indicating a direction in which the magnetization of the free layer in the MRAM reference cell is in a desired direction;
A write current for the free layer is caused to flow through the first bit line in a first direction, then through the connecting portion, and a second bit line opposite to the first direction is passed through the second bit line. Flowing in the direction,
The MRAM reference cell subarray of claim 1, programmed by a method comprising: removing the magnetic field.
前記行方向に延在し、かつ、前記行方向に並んだ前記複数のMRAMリファレンスセルと接続された複数の書込ワード線をさらに備え、
前記MRAMリファレンスセルは、書込ワード線電流を前記複数の書込ワード線の各々に流すステップをさらに含む方法によりプログラミングされたものである
ことを特徴とする請求項7記載のMRAMリファレンスセルサブアレイ。
A plurality of write word lines extending in the row direction and connected to the plurality of MRAM reference cells arranged in the row direction;
8. The MRAM reference cell subarray according to claim 7, wherein the MRAM reference cell is programmed by a method further comprising a step of passing a write word line current to each of the plurality of write word lines.
前記MRAMリファレンスセルは、
前記書込ワード線電流および書込電流を停止し、前記複数のセンスアンプをそれぞれに対応する前記MRAMリファレンスセルと再接続させることでプログラミングを完了させたものである
ことを特徴とする請求項8記載のMRAMリファレンスセルサブアレイ。
The MRAM reference cell is
9. The programming word line is completed by stopping the write word line current and the write current and reconnecting the plurality of sense amplifiers to the corresponding MRAM reference cells, respectively. The described MRAM reference cell subarray.
前記行方向に延在し、かつ、前記行方向に並んだ前記複数のMRAMリファレンスセルとアイソレーショントランジスタを介して接続された複数の読出ワード線を備えている
ことを特徴とする請求項1記載のMRAMリファレンスセルサブアレイ。
2. A plurality of read word lines extending in the row direction and connected to the plurality of MRAM reference cells arranged in the row direction via isolation transistors. MRAM reference cell subarray.
前記MRAMリファレンスセルは、
前記センスアンプから前記MRAMリファレンスセルを分離するステップと、
前記複数のMRAMリファレンスセルに対し、バイアスを各列ごとに印加するステップと、
前記複数のMRAMリファレンスセルに対し、活性化信号を各行ごとに供給するステップと、
前記第1の列のMRAMリファレンスセル、およびこれに対応する第2の列のMRAMリファレンスセルを通過する電流を、各行ごとに測定するステップと、
前記電流が標準電流と等価であるかどうかを判断するステップと、
前記電流が標準電流と等価でなかった場合に、再度プログラミングを行うステップと
を含む方法により検査されたものである
ことを特徴とする請求項1記載のMRAMリファレンスセルサブアレイ。
The MRAM reference cell is
Separating the MRAM reference cell from the sense amplifier;
Applying a bias for each column to the plurality of MRAM reference cells;
Supplying an activation signal for each row to the plurality of MRAM reference cells;
Measuring the current passing through the first column of MRAM reference cells and the corresponding second column of MRAM reference cells for each row;
Determining whether the current is equivalent to a standard current;
The MRAM reference cell sub-array according to claim 1, wherein the MRAM reference cell sub-array is tested by a method including re-programming when the current is not equivalent to a standard current.
複数のMRAMデータセルサブアレイと、
前記複数のMRAMデータセルサブアレイと通信を行うセンスアンプと、
前記センスアンプに対してリファレンス電流を供給する複数のMRAMリファレンスセルサブアレイと
を備え、
前記MRAMリファレンスセルサブアレイは、
行方向および列方向に並んだ複数のMRAMリファレンスセルと、
前記列方向に延在し、かつ、前記列方向に並んだ前記複数のMRAMリファレンスセルに含まれるフリー層とそれぞれ接続されると共に隣り合うように配置された第1および第2のビット線からなるビット線対と、
前記ビット線対における第1および第2のビット線を相互に繋ぐ連結部と
を有し、
前記第1のビット線に沿って並ぶ第1の列のMRAMリファレンスセルは、前記第2のビット線に沿って並ぶ第2のMRAMリファレンスセルと並列接続されており、
同一の行に位置する前記第1および第2の列のMRAMリファレンスセルは、互いに異なる磁化状態を有している
ことを特徴とするMRAMアレイ。
A plurality of MRAM data cell subarrays;
A sense amplifier in communication with the plurality of MRAM data cell subarrays;
A plurality of MRAM reference cell subarrays for supplying a reference current to the sense amplifier;
The MRAM reference cell sub-array is
A plurality of MRAM reference cells arranged in a row direction and a column direction;
The first and second bit lines that extend in the column direction and are connected to and adjacent to free layers included in the plurality of MRAM reference cells arranged in the column direction. A bit line pair;
A connecting portion for connecting the first and second bit lines in the bit line pair to each other;
The MRAM reference cells in the first column aligned along the first bit line are connected in parallel with the second MRAM reference cells aligned along the second bit line,
The MRAM array, wherein the MRAM reference cells in the first and second columns located in the same row have different magnetization states.
前記第1の列のMRAMリファレンスセルは、前記第2の列のMRAMリファレンスセルが低抵抗状態であるときには高抵抗状態となり、前記第2の列のMRAMリファレンスセルが高抵抗状態であるときには低抵抗状態となる
ことを特徴とする請求項12記載のMRAMアレイ。
The MRAM reference cells in the first column are in a high resistance state when the MRAM reference cells in the second column are in a low resistance state, and are low in resistance when the MRAM reference cells in the second column are in a high resistance state. The MRAM array according to claim 12, wherein the MRAM array is in a state.
前記MRAMリファレンスセルサブアレイは、前記複数のMRAMデータセルサブアレイの内部に設けられている
ことを特徴とする請求項12記載のMRAMアレイ。
The MRAM array according to claim 12, wherein the MRAM reference cell subarray is provided inside the plurality of MRAM data cell subarrays.
前記複数のMRAMデータセルサブアレイのうちの選択されたMRAMデータセルサブアレイは、前記MRAMリファレンスセルサブアレイとは異なる群に含まれる
ことを特徴とする請求項14記載のMRAMアレイ。
The MRAM array according to claim 14, wherein a selected MRAM data cell subarray of the plurality of MRAM data cell subarrays is included in a group different from the MRAM reference cell subarray.
前記MRAMリファレンスセルサブアレイは、
前記行方向に延在し、かつ、前記行方向に並んだ前記複数のMRAMリファレンスセルと接続された複数の書込ワード線をさらに備えている
ことを特徴とする請求項12記載のMRAMアレイ。
The MRAM reference cell sub-array is
The MRAM array according to claim 12, further comprising a plurality of write word lines extending in the row direction and connected to the plurality of MRAM reference cells arranged in the row direction.
前記書込ワード線と接続され、所定のMRAMリファレンスセルへの書込を行う際に前記書込ワード線に対して書込ワード線電流の供給を行う電流源をさらに備えている
ことを特徴とする請求項16記載のMRAMアレイ。
A current source connected to the write word line and supplying a write word line current to the write word line when writing to a predetermined MRAM reference cell; The MRAM array according to claim 16.
前記MRAMリファレンスセルは、
前記書込ワード線に前記書込ワード線電流を導くステップと、
前記センスアンプから前記MRAMリファレンスセルを分離するステップと、
前記フリー層に対する書込電流を、前記第1のビット線に第1の方向へ流したのち、前記連結部を介して前記第2のビット線へ導くステップと
を含む方法によりプログラミングされたものである
ことを特徴とする請求項17記載のMRAMアレイ。
The MRAM reference cell is
Directing the write word line current to the write word line;
Separating the MRAM reference cell from the sense amplifier;
And a method of programming the free layer by flowing a write current to the first bit line in a first direction and then guiding the write current to the second bit line through the coupling portion. The MRAM array according to claim 17, wherein the MRAM array is provided.
前記MRAMリファレンスセルは、
前記書込ワード線電流および書込電流を停止し、前記複数のセンスアンプをそれぞれに対応する前記MRAMリファレンスセルと再接続させることでプログラミングを完了させたものである
ことを特徴とする請求項18記載のMRAMアレイ。
The MRAM reference cell is
19. The programming word line is completed by stopping the write word line current and the write current and reconnecting the plurality of sense amplifiers to the corresponding MRAM reference cells, respectively. The MRAM array as described.
前記MRAMリファレンスセルは、
前記センスアンプから前記複数のMRAMリファレンスセルを分離するステップと、
前記MRAMリファレンスセルにおけるフリー層の磁化が所望の向きとなるような向きを示す磁場を形成するステップと、
前記フリー層に対する書込電流を、前記第1のビット線に第1の方向へ流したのち、前記連結部を介して前記第2のビット線へ導くステップと、
前記磁場を取り除くステップと
を含む方法によりプログラミングされたものである
ことを特徴とする請求項12記載のMRAMアレイ。
The MRAM reference cell is
Separating the plurality of MRAM reference cells from the sense amplifier;
Forming a magnetic field indicating a direction in which the magnetization of the free layer in the MRAM reference cell is in a desired direction;
Directing a write current to the free layer in the first direction through the first bit line and then leading to the second bit line via the coupling portion;
The MRAM array of claim 12, programmed by a method comprising: removing the magnetic field.
前記行方向に延在し、かつ、前記行方向に並んだ前記複数のMRAMセルと接続された複数の書込ワード線をさらに備え、
前記MRAMリファレンスセルは、書込ワード線電流を前記複数の書込ワード線の各々に流すステップをさらに含む方法によりプログラミングされたものである
ことを特徴とする請求項20記載のMRAMアレイ。
A plurality of write word lines extending in the row direction and connected to the plurality of MRAM cells arranged in the row direction;
21. The MRAM array of claim 20, wherein the MRAM reference cell is programmed by a method further comprising passing a write word line current to each of the plurality of write word lines.
前記MRAMリファレンスセルは、
前記書込ワード線電流および書込電流を停止し、前記複数のセンスアンプをそれぞれに対応する前記MRAMセルと再接続させることでプログラミングを完了させたものである
ことを特徴とする請求項21記載のMRAMアレイ。
The MRAM reference cell is
The programming word line is completed by stopping the write word line current and the write current, and reconnecting the plurality of sense amplifiers to the corresponding MRAM cells, respectively. MRAM array.
前記行方向に延在し、かつ、前記行方向に並んだ前記複数のMRAMリファレンスセルとアイソレーショントランジスタを介して接続された複数の読出ワード線を備えている
ことを特徴とする請求項12記載のMRAMアレイ。
13. A plurality of read word lines extending in the row direction and connected to the plurality of MRAM reference cells arranged in the row direction via isolation transistors are provided. MRAM array.
前記MRAMリファレンスセルは、
前記センスアンプから前記複数のMRAMリファレンスセルを分離するステップと、
前記MRAMリファレンスセルに対し、バイアスを各列ごとに印加するステップと、
前記MRAMリファレンスセルに対し、活性化信号を各行ごとに供給するステップと、
前記第1の列のMRAMリファレンスセル、およびこれに対応する第2の列のMRAMリファレンスセルを通過する電流を、各行ごとに測定するステップと、
前記電流が標準電流と等価であるかどうかを判断するステップと、
前記電流が標準電流と等価でなかった場合に、再度プログラミングを行うステップと
を含む方法により検査されたものである
ことを特徴とする請求項12記載のMRAMアレイ。
The MRAM reference cell is
Separating the plurality of MRAM reference cells from the sense amplifier;
Applying a bias for each column to the MRAM reference cell;
Supplying an activation signal for each row to the MRAM reference cell;
Measuring the current passing through the first column of MRAM reference cells and the corresponding second column of MRAM reference cells for each row;
Determining whether the current is equivalent to a standard current;
13. The MRAM array according to claim 12, wherein the MRAM array has been tested by a method including re-programming if the current is not equivalent to a standard current.
複数のセンスアンプと共にMRAMデバイスに用いられるMRAMセルサブアレイであって、
行方向および列方向に並んだ複数のMRAMセルと、
前記列方向に延在し、かつ、前記列方向に並んだ前記複数のMRAMセルに含まれるフリー層とそれぞれ接続されると共に前記行方向に並ぶ複数のビット線と、
前記複数のビット線のうちの1組のビット線を相互に繋ぎ、ビット線対を構成する連結部と
を備え、
前記ビット線対のうちの一方のビット線に沿って並ぶ第1の列のMRAMセルは、前記ビット線対のうちの他方のビット線に沿って並ぶ第2のMRAMセルと並列接続されており、
同一の行に位置する前記第1および第2の列のMRAMセルは、互いに異なる磁化状態を有している
ことを特徴とするMRAMセルサブアレイ。
An MRAM cell sub-array for use in an MRAM device with a plurality of sense amplifiers,
A plurality of MRAM cells arranged in a row direction and a column direction;
A plurality of bit lines extending in the column direction and connected to free layers included in the plurality of MRAM cells arranged in the column direction and arranged in the row direction;
A set of bit lines of the plurality of bit lines are connected to each other, and a connecting portion that forms a bit line pair is provided.
The MRAM cells in the first column aligned along one bit line of the bit line pair are connected in parallel to the second MRAM cells aligned along the other bit line of the bit line pair. ,
The MRAM cell sub-array, wherein the MRAM cells in the first and second columns located in the same row have different magnetization states.
前記第1の列のMRAMセルは、前記第2の列のMRAMセルが低抵抗状態であるときには高抵抗状態となり、前記第2の列のMRAMセルが高抵抗状態であるときには低抵抗状態となる
ことを特徴とする請求項25記載のMRAMセルサブアレイ。
The MRAM cells in the first column are in a high resistance state when the MRAM cells in the second column are in a low resistance state, and are in a low resistance state when the MRAM cells in the second column are in a high resistance state. 26. The MRAM cell subarray of claim 25.
前記行方向に延在し、かつ、前記行方向に並んだ前記複数のMRAMセルと接続された複数の書込ワード線をさらに備えている
ことを特徴とする請求項25記載のMRAMセルサブアレイ。
The MRAM cell subarray according to claim 25, further comprising a plurality of write word lines extending in the row direction and connected to the plurality of MRAM cells arranged in the row direction.
前記複数の書込ワード線と接続され、所定のMRAMセルへの書込を行う際に前記複数の書込ワード線に対して書込ワード線電流の供給を行う電流源をさらに備えている
ことを特徴とする請求項27記載のMRAMリセルサブアレイ。
A current source connected to the plurality of write word lines and supplying a write word line current to the plurality of write word lines when writing to a predetermined MRAM cell; 28. The MRAM recell subarray of claim 27.
前記MRAMセルは、
前記書込ワード線に前記書込ワード線電流を導くステップと、
前記センスアンプから前記MRAMセルを分離するステップと、
前記フリー層に対する書込電流を、前記ビット線対のうちの一方のビット線に第1の方向へ流したのち、前記連結部を介して前記ビット線対のうちの他方のビット線へ導くステップと
を含む方法によりプログラミングされたものである
ことを特徴とする請求項28記載のMRAMセルサブアレイ。
The MRAM cell is
Directing the write word line current to the write word line;
Separating the MRAM cell from the sense amplifier;
A step of causing a write current for the free layer to flow in a first direction to one bit line of the bit line pair and then leading to the other bit line of the bit line pair through the connecting portion. 29. The MRAM cell subarray of claim 28, programmed by a method comprising:
前記MRAMセルは、
前記書込ワード線電流および書込電流を停止し、前記センスアンプをそれぞれに対応する前記MRAMセルと再接続させることでプログラミングを完了させたものである
ことを特徴とする請求項29記載のMRAMセルサブアレイ。
The MRAM cell is
30. The MRAM according to claim 29, wherein programming is completed by stopping the write word line current and the write current and reconnecting the sense amplifier to the corresponding MRAM cell. Cell subarray.
前記MRAMセルは、
前記センスアンプから前記MRAMセルを分離するステップと、
前記MRAMセルにおけるフリー層の磁化が所望の向きとなるような向きを示す磁場を形成するステップと、
前記フリー層に対する書込電流を、前記ビット線対のうちの一方のビット線に第1の方向へ流したのち、前記連結部を経由させ、前記ビット線対のうちの他方のビット線へ、前記第1の方向とは反対の第2の方向へ流すステップと、
前記磁場を取り除くステップと
を含む方法によりプログラミングされたものである
ことを特徴とする請求項25記載のMRAMセルサブアレイ。
The MRAM cell is
Separating the MRAM cell from the sense amplifier;
Forming a magnetic field indicating a direction in which the magnetization of the free layer in the MRAM cell is in a desired direction;
A write current for the free layer is supplied to one bit line of the bit line pair in a first direction, and then passed through the coupling unit to the other bit line of the bit line pair. Flowing in a second direction opposite to the first direction;
26. The MRAM cell subarray of claim 25, programmed by a method comprising: removing the magnetic field.
前記行方向に延在し、かつ、前記行方向に並んだ前記複数のMRAMセルと接続された複数の書込ワード線をさらに備え、
前記MRAMセルは、書込ワード線電流を前記書込ワード線の各々に流すステップをさらに含む方法によりプログラミングされたものである
ことを特徴とする請求項31記載のMRAMセルサブアレイ。
A plurality of write word lines extending in the row direction and connected to the plurality of MRAM cells arranged in the row direction;
32. The MRAM cell subarray of claim 31, wherein the MRAM cell is programmed by a method further comprising flowing a write word line current to each of the write word lines.
前記MRAMセルは、
前記書込ワード線電流および書込電流を停止し、前記センスアンプをそれぞれに対応する前記MRAMセルと再接続させることでプログラミングを完了させたものである
ことを特徴とする請求項32記載のMRAMセルサブアレイ。
The MRAM cell is
33. The MRAM according to claim 32, wherein programming is completed by stopping the write word line current and the write current and reconnecting the sense amplifier to the corresponding MRAM cell. Cell subarray.
前記行方向に延在し、かつ、前記行方向に並んだ前記複数のMRAMセルとアイソレーショントランジスタを介して接続された複数の読出ワード線を備えている
ことを特徴とする請求項25記載のMRAMセルサブアレイ。
26. A plurality of read word lines extending in the row direction and connected to the plurality of MRAM cells arranged in the row direction via isolation transistors. MRAM cell subarray.
前記MRAMセルは、
前記センスアンプから前記MRAMセルを分離するステップと、
前記MRAMセルに対し、バイアスを各列ごとに印加するステップと、
前記MRAMセルに対し、活性化信号を各行ごとに供給するステップと、
前記第1の列のMRAMセル、およびこれに対応する第2の列のMRAMセルを通過する電流を、各行ごとに測定するステップと、
前記電流が標準電流と等価であるかどうかを判断するステップと、
前記電流が標準電流と等価でなかった場合に、再度プログラミングを行うステップと
を含む方法により検査されたものである
ことを特徴とする請求項25記載のMRAMセルサブアレイ。
The MRAM cell is
Separating the MRAM cell from the sense amplifier;
Applying a bias to the MRAM cell for each column;
Supplying an activation signal for each row to the MRAM cell;
Measuring the current through the first column of MRAM cells and the corresponding second column of MRAM cells for each row;
Determining whether the current is equivalent to a standard current;
26. The MRAM cell sub-array of claim 25, wherein the MRAM cell sub-array has been tested by a method that includes re-programming if the current is not equivalent to a standard current.
複数のMRAMセルサブアレイと、
前記複数のMRAMセルサブアレイと通信を行うセンスアンプと
を備え、
前記MRAMセルサブアレイは、行方向および列方向に並んだ複数のMRAMセルと、前記列方向に延在し、かつ、前記列方向に並んだ前記複数のMRAMセルに含まれるフリー層とそれぞれ接続されると共に前記行方向に並ぶ複数のビット線と、前記複数のビット線のうちの1組のビット線を相互に繋ぎ、ビット線対を構成する連結部とを有し、
前記ビット線対のうちの一方のビット線に沿って並ぶ第1の列のMRAMセルは、前記ビット線対のうちの他方のビット線に沿って並ぶ第2のMRAMセルと並列接続されており、
同一の行に位置する前記第1および第2の列のMRAMセルは、互いに異なる磁化状態を有している
ことを特徴とするMRAMアレイ。
A plurality of MRAM cell sub-arrays;
A sense amplifier that communicates with the plurality of MRAM cell sub-arrays;
The MRAM cell sub-array is connected to a plurality of MRAM cells arranged in a row direction and a column direction, and a free layer extending in the column direction and included in the plurality of MRAM cells arranged in the column direction, respectively. And a plurality of bit lines arranged in the row direction and a set of bit lines of the plurality of bit lines connected to each other to form a bit line pair,
The MRAM cells in the first column aligned along one bit line of the bit line pair are connected in parallel to the second MRAM cells aligned along the other bit line of the bit line pair. ,
The MRAM array characterized in that the MRAM cells of the first and second columns located in the same row have different magnetization states.
前記第1の列のMRAMセルは、前記第2の列のMRAMセルが低抵抗状態であるときには高抵抗状態となり、前記第2の列のMRAMセルが高抵抗状態であるときには低抵抗状態となる
ことを特徴とする請求項36記載のMRAMアレイ。
The MRAM cells in the first column are in a high resistance state when the MRAM cells in the second column are in a low resistance state, and are in a low resistance state when the MRAM cells in the second column are in a high resistance state. 37. The MRAM array of claim 36.
前記第1の列のMRAMセルおよび第2のMRAMセルとは異なるMRAMセルを被選択MRAMデータセルとする
ことを特徴とする請求項36記載のMRAMアレイ。
37. The MRAM array according to claim 36, wherein an MRAM cell different from the first column MRAM cell and the second MRAM cell is a selected MRAM data cell.
前記行方向に延在し、かつ、前記行方向に並んだ前記複数のMRAMセルと接続された複数の書込ワード線をさらに備えている
ことを特徴とする請求項36記載のMRAMアレイ。
The MRAM array according to claim 36, further comprising a plurality of write word lines extending in the row direction and connected to the plurality of MRAM cells arranged in the row direction.
前記複数の書込ワード線と接続され、所定のMRAMセルへの書込を行う際に前記複数の書込ワード線に対して書込ワード線電流の供給を行う電流源をさらに備えている
ことを特徴とする請求項36記載のMRAMアレイ。
A current source connected to the plurality of write word lines and supplying a write word line current to the plurality of write word lines when writing to a predetermined MRAM cell; 37. The MRAM array of claim 36.
前記MRAMセルは、
前記書込ワード線に前記書込ワード線電流を導くステップと、
前記センスアンプから前記MRAMセルを分離するステップと、
前記フリー層に対する書込電流を、前記ビット線対のうちの一方のビット線に第1の方向へ流したのち、前記連結部を介して前記ビット線対のうちの他方のビット線へ導くステップと
を含む方法によりプログラミングされたものである
ことを特徴とする請求項36記載のMRAMアレイ。
The MRAM cell is
Directing the write word line current to the write word line;
Separating the MRAM cell from the sense amplifier;
A step of causing a write current for the free layer to flow in a first direction to one bit line of the bit line pair and then leading to the other bit line of the bit line pair through the connecting portion. 37. The MRAM array of claim 36, programmed by a method comprising:
前記複数のMRAMセルは、
前記書込ワード線電流および書込電流を停止し、前記センスアンプをそれぞれに対応する前記MRAMセルと再接続させることでプログラミングを完了させたものである
ことを特徴とする請求項36記載のMRAMアレイ。
The plurality of MRAM cells are:
37. The MRAM according to claim 36, wherein programming is completed by stopping the write word line current and the write current and reconnecting the sense amplifier to the corresponding MRAM cell. array.
前記MRAMセルは、
前記センスアンプから前記MRAMセルを分離するステップと、
前記MRAMセルにおけるフリー層の磁化が所望の向きとなるような向きを示す磁場を形成するステップと、
前記フリー層に対する書込電流を、前記第1のビット線に第1の方向へ流したのち、前記連結部を経由させ、前記第2のビット線に前記第1の方向とは反対の第2の方向へ流すステップと、
前記磁場を取り除くステップと
を含む方法によりプログラミングされたものである
ことを特徴とする請求項36記載のMRAMアレイ。
The MRAM cell is
Separating the MRAM cell from the sense amplifier;
Forming a magnetic field indicating a direction in which the magnetization of the free layer in the MRAM cell is in a desired direction;
A write current for the free layer is passed through the first bit line in a first direction, then passed through the connecting portion, and a second bit line opposite to the first direction is passed through the second bit line. Flowing in the direction of
37. The MRAM array of claim 36, programmed by a method comprising: removing the magnetic field.
前記行方向に延在し、かつ、前記行方向に並んだ前記複数のMRAMセルと接続された複数の書込ワード線をさらに備え、
前記複数のMRAMセルは、書込ワード線電流を前記複数の書込ワード線の各々に流すステップをさらに含む方法によりプログラミングされたものである
ことを特徴とする請求項43記載のMRAMアレイ。
A plurality of write word lines extending in the row direction and connected to the plurality of MRAM cells arranged in the row direction;
44. The MRAM array of claim 43, wherein the plurality of MRAM cells are programmed by a method further comprising flowing a write word line current to each of the plurality of write word lines.
前記MRAMセルは、
前記書込ワード線電流および書込電流を停止し、前記複数のセンスアンプをそれぞれに対応する前記MRAMセルと再接続させることでプログラミングを完了させたものである
ことを特徴とする請求項44記載のMRAMアレイ。
The MRAM cell is
45. The programming is completed by stopping the write word line current and the write current, and reconnecting the plurality of sense amplifiers to the corresponding MRAM cells, respectively. MRAM array.
前記行方向に延在し、かつ、前記行方向に並んだ前記複数のMRAMセルとアイソレーショントランジスタを介して接続された複数の読出ワード線を備えている
ことを特徴とする請求項36記載のMRAMアレイ。
37. A plurality of read word lines extending in the row direction and connected to the plurality of MRAM cells arranged in the row direction via isolation transistors are provided. MRAM array.
前記MRAMセルは、
前記センスアンプから前記複数のMRAMセルを分離するステップと、
前記MRAMセルに対し、バイアスを各列ごとに印加するステップと、
前記MRAMセルに対し、活性化信号を各行ごとに供給するステップと、
前記第1の列のMRAMセル、およびこれに対応する第2の列のMRAMセルを通過する電流を、各行ごとに測定するステップと、
前記電流が標準電流と等価であるかどうかを判断するステップと、
前記電流が標準電流と等価でなかった場合に、再度プログラミングを行うステップと
を含む方法により検査されたものである
ことを特徴とする請求項36記載のMRAMアレイ。
The MRAM cell is
Separating the plurality of MRAM cells from the sense amplifier;
Applying a bias to the MRAM cell for each column;
Supplying an activation signal for each row to the MRAM cell;
Measuring the current through the first column of MRAM cells and the corresponding second column of MRAM cells for each row;
Determining whether the current is equivalent to a standard current;
37. The MRAM array of claim 36, wherein the MRAM array has been tested by a method that includes re-programming if the current is not equivalent to a standard current.
MRAMデータセルサブアレイおよびセンスアンプを複数備えたMRAMデバイスに用いられ、前記センスアンプに対してリファレンス電流を供給するMRAMリファレンスセルサブアレイの製造方法であって、
行方向および列方向に並ぶように複数のMRAMリファレンスセルを形成する工程と、
前記列方向に延在し、かつ、前記列方向に並んだ前記複数のMRAMリファレンスセルに含まれるフリー層とそれぞれ接続すると共に隣り合うように第1および第2のビット線を配置することでビット線対を形成する工程と、
前記ビット線対における第1および第2のビット線を相互に繋ぐ連結部を形成し、前記第1のビット線に沿って並ぶ第1の列のMRAMリファレンスセルと、前記第2のビット線に沿って並ぶ第2のMRAMリファレンスセルとを並列接続する工程と、
同一の行に位置する前記第1および第2の列のMRAMリファレンスセルを、互いに異なる磁化状態に設定する工程と
を含む
ことを特徴とするMRAMリファレンスセルサブアレイの製造方法。
A method of manufacturing an MRAM reference cell subarray that is used in an MRAM device having a plurality of MRAM data cell subarrays and sense amplifiers and supplies a reference current to the sense amplifiers,
Forming a plurality of MRAM reference cells so as to be arranged in a row direction and a column direction;
The first and second bit lines are arranged so as to be connected to and adjacent to free layers included in the plurality of MRAM reference cells extending in the column direction and arranged in the column direction. Forming a line pair;
A connecting portion that connects the first and second bit lines in the bit line pair to each other is formed, and a first column of MRAM reference cells arranged along the first bit line, and the second bit line are connected to each other. Connecting in parallel a second MRAM reference cell lined up along;
And a step of setting the MRAM reference cells in the first and second columns located in the same row to different magnetization states. A method of manufacturing an MRAM reference cell subarray, comprising:
前記第1の列のMRAMリファレンスセルを高抵抗状態とすると共に前記第2の列のMRAMリファレンスセルを低抵抗状態とし、
または、前記第1の列のMRAMリファレンスセルを低抵抗状態とすると共に前記第2の列のMRAMリファレンスセルを高抵抗状態とする
ことを特徴とする請求項48記載のMRAMリファレンスセルサブアレイの製造方法。
Bringing the first column of MRAM reference cells into a high resistance state and the second column of MRAM reference cells into a low resistance state;
49. The method of manufacturing an MRAM reference cell subarray according to claim 48, wherein the MRAM reference cells in the first column are set in a low resistance state and the MRAM reference cells in the second column are set in a high resistance state. .
前記行方向に延在する複数の書込ワード線を、前記行方向に並んだ前記複数のMRAMリファレンスセルと接続するように形成する
ことを特徴とする請求項48記載のMRAMリファレンスセルサブアレイの製造方法。
49. The manufacture of an MRAM reference cell subarray according to claim 48, wherein the plurality of write word lines extending in the row direction are formed to be connected to the plurality of MRAM reference cells arranged in the row direction. Method.
所定のMRAMリファレンスセルへの書込を行う際に前記複数の書込ワード線に対して書込ワード線電流を供給する電流源を、前記複数の書込ワード線と接続するように形成する
ことを特徴とする請求項50記載のMRAMリファレンスセルサブアレイの製造方法。
Forming a current source for supplying a write word line current to the plurality of write word lines when writing to a predetermined MRAM reference cell is connected to the plurality of write word lines; 51. A method of manufacturing an MRAM reference cell sub-array according to claim 50.
前記複数のセンスアンプから前記複数のMRAMリファレンスセルを分離するステップと、
前記書込ワード線に前記書込ワード線電流を導くステップと、
前記フリー層に対する書込電流を、前記第1のビット線に第1の方向へ流したのち、前記連結部を介して前記第2のビット線へ導くステップと
を含む方法により、前記MRAMリファレンスセルへのプログラミングを行う
ことを特徴とする請求項51記載のMRAMリファレンスセルサブアレイの製造方法。
Separating the plurality of MRAM reference cells from the plurality of sense amplifiers;
Directing the write word line current to the write word line;
A method in which a write current for the free layer is passed through the first bit line in a first direction and then led to the second bit line via the connecting portion. 52. The method of manufacturing an MRAM reference cell subarray according to claim 51, wherein programming is performed.
前記MRAMリファレンスセルへのプログラミングは、
前記書込ワード線電流および書込電流を停止し、前記複数のセンスアンプをそれぞれに対応する前記MRAMリファレンスセルと再接続させることで完了する
ことを特徴とする請求項52記載のMRAMリファレンスセルサブアレイの製造方法。
Programming to the MRAM reference cell is as follows:
53. The MRAM reference cell subarray according to claim 52, which is completed by stopping the write word line current and the write current and reconnecting the plurality of sense amplifiers to the corresponding MRAM reference cells. Manufacturing method.
前記複数のセンスアンプから前記複数のMRAMリファレンスセルを分離するステップと、
前記MRAMリファレンスセルにおけるフリー層の磁化が所望の向きとなるような向きを示す磁場を形成するステップと、
前記フリー層に対する書込電流を、前記第1のビット線に第1の方向へ流したのち、前記連結部を介して前記第2のビット線へ導くステップと、
前記磁場を取り除くステップと
を含む方法により、前記MRAMリファレンスセルへのプログラミングを行う
ことを特徴とする請求項49記載のMRAMリファレンスセルサブアレイの製造方法。
Separating the plurality of MRAM reference cells from the plurality of sense amplifiers;
Forming a magnetic field indicating a direction in which the magnetization of the free layer in the MRAM reference cell is in a desired direction;
Directing a write current to the free layer in the first direction through the first bit line and then leading to the second bit line via the coupling portion;
50. The method of manufacturing an MRAM reference cell subarray according to claim 49, wherein the MRAM reference cell is programmed by a method comprising: removing the magnetic field.
前記行方向に延在する複数の書込ワード線を、前記行方向に並んだ前記複数のMRAMリファレンスセルと接続するように形成し、
書込ワード線電流を前記複数の書込ワード線の各々に流すステップをさらに含む方法により、前記複数のMRAMリファレンスセルのプログラミングを行う
ことを特徴とする請求項54記載のMRAMリファレンスセルサブアレイの製造方法。
Forming a plurality of write word lines extending in the row direction so as to be connected to the plurality of MRAM reference cells arranged in the row direction;
55. The fabrication of an MRAM reference cell sub-array according to claim 54, further comprising programming the plurality of MRAM reference cells by a method further comprising flowing a write word line current to each of the plurality of write word lines. Method.
前記MRAMリファレンスセルへのプログラミングは、
前記書込ワード線電流および書込電流を停止し、前記複数のセンスアンプをそれぞれに対応する前記MRAMリファレンスセルと再接続させることで完了する
ことを特徴とする請求項55記載のMRAMリファレンスセルサブアレイの製造方法。
Programming to the MRAM reference cell is as follows:
56. The MRAM reference cell subarray according to claim 55, wherein the MRAM reference cell subarray is completed by stopping the write word line current and the write current and reconnecting the plurality of sense amplifiers to the corresponding MRAM reference cells. Manufacturing method.
前記行方向に延在する複数の読出ワード線を、前記行方向に並んだ前記複数のMRAMリファレンスセルとアイソレーショントランジスタを介して接続するように形成する工程を含む
ことを特徴とする請求項48記載のMRAMリファレンスセルサブアレイの製造方法。
49. A step of forming a plurality of read word lines extending in the row direction so as to be connected to the plurality of MRAM reference cells arranged in the row direction via isolation transistors. A manufacturing method of the described MRAM reference cell subarray.
前記のセンスアンプから前記MRAMリファレンスセルを分離するステップと、
前記MRAMリファレンスセルに対し、バイアスを各列ごとに印加するステップと、
前記MRAMリファレンスセルに対し、活性化信号を各行ごとに供給するステップと、
前記第1の列のMRAMリファレンスセル、およびこれに対応する第2の列のMRAMリファレンスセルを通過する電流を、各行ごとに測定するステップと、
前記電流が標準電流と等価であるかどうかを判断するステップと、
前記電流が標準電流と等価でなかった場合に、再度プログラミングを行うステップと
を含む方法により前記複数のMRAMリファレンスセルの検査を行う工程を含む
ことを特徴とする請求項48記載のMRAMリファレンスセルサブアレイの製造方法。
Separating the MRAM reference cell from the sense amplifier;
Applying a bias for each column to the MRAM reference cell;
Supplying an activation signal for each row to the MRAM reference cell;
Measuring the current passing through the first column of MRAM reference cells and the corresponding second column of MRAM reference cells for each row;
Determining whether the current is equivalent to a standard current;
49. The MRAM reference cell subarray according to claim 48, further comprising the step of inspecting the plurality of MRAM reference cells by a method including re-programming if the current is not equivalent to a standard current. Manufacturing method.
複数のセンスアンプと共にMRAMデバイスに用いられるMRAMセルサブアレイの製造方法であって、
行方向および列方向に並ぶように複数のMRAMセルを形成する工程と、
前記列方向に並んだ前記複数のMRAMセルに含まれるフリー層とそれぞれ接続するように、前記列方向に延在し、かつ、前記行方向に並ぶ複数のビット線を形成する工程と、
前記複数のビット線のうちの1組のビット線を相互に繋ぐ連結部を設けてビット線対を形成し、前記ビット線対のうちの一方のビット線に沿って並ぶ第1の列のMRAMセルと、前記ビット線対のうちの他方のビット線に沿って並ぶ第2のMRAMセルとを並列接続する工程と、
同一の行に位置する前記第1および第2の列のMRAMセルのうち、一方を高抵抗状態とすると共に他方を低抵抗状態とする工程と
を含む
ことを特徴とするMRAMセルサブアレイの製造方法。
A method of manufacturing an MRAM cell sub-array for use in an MRAM device with a plurality of sense amplifiers, comprising:
Forming a plurality of MRAM cells so as to be arranged in a row direction and a column direction;
Forming a plurality of bit lines extending in the column direction and arranged in the row direction so as to be respectively connected to free layers included in the plurality of MRAM cells arranged in the column direction;
A first column MRAM arranged along one bit line of the bit line pair by forming a bit line pair by providing a connecting portion that connects a pair of bit lines of the plurality of bit lines to each other Connecting the cell and a second MRAM cell aligned along the other bit line of the bit line pair in parallel;
A method of manufacturing an MRAM cell sub-array, comprising: setting one of the MRAM cells in the first and second columns located in the same row to a high resistance state and setting the other to a low resistance state. .
前記行方向に延在する複数の書込ワード線を、前記行方向に並んだ前記複数のMRAMセルに含まれるピンド層とそれぞれ接続するように形成する
ことを特徴とする請求項59記載のMRAMセルサブアレイの製造方法。
60. The MRAM according to claim 59, wherein the plurality of write word lines extending in the row direction are respectively connected to pinned layers included in the plurality of MRAM cells arranged in the row direction. Manufacturing method of cell subarray.
所定のMRAMリファレンスセルへの書込を行う際に前記複数の書込ワード線に対して書込ワード線電流を供給する電流源を、前記複数の書込ワード線と接続するように形成する
ことを特徴とする請求項60記載のMRAMセルサブアレイの製造方法。
Forming a current source for supplying a write word line current to the plurality of write word lines when writing to a predetermined MRAM reference cell is connected to the plurality of write word lines; 61. A method of manufacturing an MRAM cell sub-array according to claim 60.
前記センスアンプから前記MRAMセルを分離するステップと、
前記書込ワード線に前記書込ワード線電流を導くステップと、
前記フリー層に対する書込電流を、前記ビット線対のうちの一方のビット線に第1の方向へ流したのち、前記連結部を介して前記ビット線対のうちの他方のビット線へ導くステップと
を含む方法により、前記MRAMセルへのプログラミングを行う
ことを特徴とする請求項61記載のMRAMセルサブアレイの製造方法。
Separating the MRAM cell from the sense amplifier;
Directing the write word line current to the write word line;
A step of causing a write current for the free layer to flow in a first direction to one bit line of the bit line pair and then leading to the other bit line of the bit line pair through the connecting portion. 62. The method of manufacturing an MRAM cell sub-array according to claim 61, wherein the MRAM cell is programmed by a method including:
前記MRAMセルへのプログラミングは、
前記書込ワード線電流および書込電流を停止し、前記複数のセンスアンプをそれぞれに対応する前記MRAMセルと再接続させることで完了する
ことを特徴とする請求項62記載のMRAMセルサブアレイの製造方法。
Programming to the MRAM cell is as follows:
64. The fabrication of an MRAM cell subarray according to claim 62, wherein the fabrication is completed by stopping the write word line current and the write current and reconnecting the plurality of sense amplifiers to the corresponding MRAM cells respectively. Method.
前記センスアンプから前記MRAMセルを分離するステップと、
前記MRAMセルにおけるフリー層の磁化が所望の向きとなるような向きを示す磁場を形成するステップと、
前記フリー層に対する書込ビット線電流を、前記ビット線対のうちの一方のビット線に第1の方向へ流したのち、前記連結部を介して前記ビット線対のうちの他方のビット線へ導くステップと、
前記磁場を取り除くステップと
を含む方法により、前記MRAMセルへのプログラミングを行う
ことを特徴とする請求項60記載のMRAMセルサブアレイの製造方法。
Separating the MRAM cell from the sense amplifier;
Forming a magnetic field indicating a direction in which the magnetization of the free layer in the MRAM cell is in a desired direction;
A write bit line current for the free layer is supplied to one bit line of the bit line pair in a first direction, and then to the other bit line of the bit line pair via the connecting portion. A guiding step,
61. The method of manufacturing an MRAM cell sub-array according to claim 60, wherein the MRAM cell is programmed by a method comprising: removing the magnetic field.
前記MRAMセルへのプログラミングは、
前記書込ワード線電流および書込電流を停止し、前記複数のセンスアンプをそれぞれに対応する前記MRAMセルと再接続させることで完了する
ことを特徴とする請求項64記載のMRAMセルサブアレイの製造方法。
Programming to the MRAM cell is as follows:
65. The manufacture of an MRAM cell subarray according to claim 64, wherein the MRAM cell sub-array is completed by stopping the write word line current and the write current and reconnecting the plurality of sense amplifiers to the corresponding MRAM cells. Method.
前記行方向に延在する複数の読出ワード線を、前記行方向に並んだ前記複数のMRAMセルとアイソレーショントランジスタを介して接続するように形成する工程を含む
ことを特徴とする請求項60記載のMRAMセルサブアレイの製造方法。
61. A step of forming a plurality of read word lines extending in the row direction so as to be connected to the plurality of MRAM cells arranged in the row direction via isolation transistors. Manufacturing method of the MRAM cell sub-array.
前記センスアンプから前記MRAMセルを分離するステップと、
前記MRAMセルに対し、バイアスを各列ごとに印加するステップと、
前記MRAMセルに対し、活性化信号を各行ごとに供給するステップと、
前記第1の列のMRAMセル、およびこれに対応する第2の列のMRAMセルを通過する電流を、各行ごとに測定するステップと、
前記電流が標準電流と等価であるかどうかを判断するステップと、
前記電流が標準電流と等価でなかった場合に、再度プログラミングを行うステップと
を含む方法により前記複数のMRAMセルの検査を行う工程を含む
ことを特徴とする請求項48記載のMRAMセルサブアレイの製造方法。
Separating the MRAM cell from the sense amplifier;
Applying a bias to the MRAM cell for each column;
Supplying an activation signal for each row to the MRAM cell;
Measuring the current passing through the first column of MRAM cells and the corresponding second column of MRAM cells for each row;
Determining whether the current is equivalent to a standard current;
49. The fabrication of an MRAM cell sub-array according to claim 48, further comprising the step of inspecting the plurality of MRAM cells by a method comprising re-programming if the current is not equivalent to a standard current. Method.
互いに通信可能に接続されたMRAMセルサブアレイおよびセンスアンプが複数形成された基板を保持する保持体と、
前記MRAMセルサブアレイと接続され、前記MRAMセルサブアレイを前記センスアンプから分離するように制御する制御装置と、
前記MRAMセルサブアレイに対して所定の向きの磁場を発生させる磁場発生装置と、
前記MRAMセルサブアレイへの書込を行う書込デバイスと
を備え、
前記MRAMセルサブアレイは、行方向および列方向に並んだ複数のMRAMセルと、前記列方向に延在し、かつ、前記列方向に並んだ前記複数のMRAMセルに含まれるフリー層とそれぞれ接続されると共に前記行方向に並ぶ複数のビット線と、前記複数のビット線のうちの1組のビット線を相互に繋ぎ、ビット線対を構成する連結部とを有し、
前記ビット線対のうちの一方のビット線に沿って並ぶ第1の列のMRAMセルは、前記ビット線対のうちの他方のビット線に沿って並ぶ第2のMRAMセルと並列接続されており、
前記書込デバイスは、前記MRAMセルサブアレイへの書込を行う際、前記フリー層に対する書込電流を、前記ビット線対のうちの一方のビット線に第1の方向へ流したのち、前記連結部を経由させ、前記ビット線対のうちの他方のビット線に前記第1の方向と反対の第2の方向へ導くように機能する
ことを特徴とするMRAMセルサブアレイ書込装置。
A holding body for holding a substrate on which a plurality of MRAM cell sub-arrays and sense amplifiers that are communicably connected to each other are formed;
A controller connected to the MRAM cell sub-array and controlling the MRAM cell sub-array to be separated from the sense amplifier;
A magnetic field generator for generating a magnetic field in a predetermined direction with respect to the MRAM cell sub-array;
A writing device for writing to the MRAM cell sub-array,
The MRAM cell sub-array is connected to a plurality of MRAM cells arranged in a row direction and a column direction, and a free layer extending in the column direction and included in the plurality of MRAM cells arranged in the column direction, respectively. And a plurality of bit lines arranged in the row direction and a set of bit lines of the plurality of bit lines connected to each other to form a bit line pair,
The MRAM cells in the first column aligned along one bit line of the bit line pair are connected in parallel to the second MRAM cells aligned along the other bit line of the bit line pair. ,
When writing to the MRAM cell sub-array, the writing device applies a write current to the free layer to one bit line of the bit line pair in a first direction, and then connects the connection. The MRAM cell sub-array writing device, wherein the MRAM cell sub-array writing device functions to guide the other bit line of the pair of bit lines to a second direction opposite to the first direction.
前記MRAMセルサブアレイは、前記行方向に延在し、かつ、前記行方向に並んだ前記複数のMRAMセルと接続された複数の書込ワード線を有しており、
前記複数の書込ワード線と接続され、所定のMRAMセルへの書込を行う際に前記複数の書込ワード線に対して書込ワード線電流の供給を行う電流源をさらに備えた
ことを特徴とする請求項68記載のMRAMセルサブアレイ書込装置。
The MRAM cell sub-array has a plurality of write word lines extending in the row direction and connected to the plurality of MRAM cells arranged in the row direction;
A current source connected to the plurality of write word lines and supplying a write word line current to the plurality of write word lines when writing to a predetermined MRAM cell; 69. The MRAM cell sub-array writer according to claim 68.
前記MRAMセルは、
前記書込ワード線電流および書込電流を停止し、前記複数のセンスアンプをそれぞれに対応する前記MRAMセルと再接続させることで書込を完了させたものである
ことを特徴とする請求項69記載のMRAMセルサブアレイ書込装置。
The MRAM cell is
70. The write word line current and write current are stopped, and the plurality of sense amplifiers are reconnected to the corresponding MRAM cells to complete writing. The MRAM cell sub-array writing device as described.
前記MRAMセルは、
前記書込デバイスによって前記書込電流を停止し、
前記電流源によって前記書込ワード線電流を停止し、
前記複数のセンスアンプをそれぞれに対応する前記MRAMセルと再接続させることで書込を完了させたものである
ことを特徴とする請求項69記載のMRAMセルサブアレイ書込装置。
The MRAM cell is
Stopping the write current by the writing device;
Stopping the write word line current by the current source;
70. The MRAM cell sub-array writing device according to claim 69, wherein writing is completed by reconnecting the plurality of sense amplifiers to the corresponding MRAM cells.
行方向および列方向に並んだ複数のMRAMセルと、前記列方向に延在し、かつ、前記列方向に並んだ前記複数のMRAMセルに含まれるフリー層とそれぞれ接続されると共に前記行方向に並ぶ複数のビット線と、前記複数のビット線のうちの1組のビット線を相互に繋ぎ、ビット線対を構成する連結部とを備え、複数のセンスアンプと通信可能に接続されたMRAMセルサブアレイの書込方法であって、
前記複数のMRAMセルのうちの書込対象とする被選択MRAMセルを前記センスアンプから分離するステップと、
前記被選択MRAMセルにおけるフリー層の磁化が所望の向きとなるような向きを示す磁場を形成するステップと、
前記磁場を、前記被選択MRAMセルの近傍に配置するステップと、
前記フリー層に対する書込ビット線電流を、前記ビット線対のうちの一方のビット線に第1の方向へ流したのち、前記連結部を経由させ、前記ビット線対のうちの他方のビット線に前記第1の方向と反対の第2の方向へ流すステップと
を含むことを特徴とするMRAMセルサブアレイの書込方法。
A plurality of MRAM cells arranged in a row direction and a column direction, and a free layer extending in the column direction and included in the plurality of MRAM cells arranged in the column direction are connected to the row direction. An MRAM cell having a plurality of bit lines arranged and a connecting portion that connects a pair of bit lines of the plurality of bit lines to form a bit line pair and is communicably connected to a plurality of sense amplifiers A sub-array writing method comprising:
Separating a selected MRAM cell to be written from among the plurality of MRAM cells from the sense amplifier;
Forming a magnetic field indicating a direction in which the magnetization of the free layer in the selected MRAM cell is in a desired direction;
Placing the magnetic field in the vicinity of the selected MRAM cell;
A write bit line current for the free layer is caused to flow through one bit line of the bit line pair in a first direction, and then is passed through the connecting portion to be the other bit line of the bit line pair. Flowing in a second direction opposite to the first direction. A method for writing an MRAM cell sub-array, comprising:
前記行方向に延在すると共に前記被選択MRAMセルと接続された書込ワード線へ書込ワード線電流を供給するステップをさらに含む
を含むことを特徴とする請求項72記載のMRAMセルサブアレイの書込方法。
75. The MRAM cell subarray of claim 72, further comprising: supplying a write word line current to a write word line extending in the row direction and connected to the selected MRAM cell. Writing method.
前記書込電流を停止し、前記被選択MRAMセルを対応する前記センスアンプと再接続させるステップをさらに含む
を含むことを特徴とする請求項72記載のMRAMセルサブアレイの書込方法。
The method of claim 72, further comprising: stopping the write current and reconnecting the selected MRAM cell with the corresponding sense amplifier.
前記書込ワード線電流および書込電流を停止し、前記被選択MRAMセルを対応する前記センスアンプと再接続させるステップをさらに含む
を含むことを特徴とする請求項73記載のMRAMセルサブアレイの書込方法。
74. The MRAM cell subarray write of claim 73, further comprising: stopping the write word line current and write current and reconnecting the selected MRAM cell with the corresponding sense amplifier. Method.
前記被選択MRAMセルに対応する前記ビット線対の各々を流れる書込ビット線電流の平均値となるリファレンス電流を前記センスアンプへ供給するステップを含む
を含むことを特徴とする請求項73記載のMRAMセルサブアレイの書込方法。
74. The method of claim 73, further comprising: supplying a reference current that is an average value of a write bit line current flowing through each of the bit line pairs corresponding to the selected MRAM cell to the sense amplifier. A method for writing to an MRAM cell sub-array.
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